Версия для печати: Что такое кондиционер? 

Кондиционеры. Процессы кондиционирования.

 

Доктор технических наук, профессор кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Белорусского национального технического университета Дячек П.И.

 

Материал данной статьи подготовлен по рекомендации Ассоциации предприятий индустрии микроклимата и холода (АПИМХ) и по замыслу он должен дать наиболее общие сведения по некоторым вопросам кондиционирования воздуха широкому кругу пользователей, не имеющих специального образования в данной области.

Термины «кондиционер», «кондиционирование» происходят от латинского слова «conditio» – условие, состояние. Кондиционеры в результате реализации процессов кондиционирования приводят тела и среды к требуемым условиям или состоянию.

В последние годы в РБ достаточно широко стали применяться средства кондиционирования воздуха  в бытовых, офисных, общественных и производственных зданиях, а также в помещениях, в которых реализуются специфические технологии. Кондиционеры и процессы кондиционирования воздуха уверенно можно отнести к чрезвычайно сложным техническим системам и технологиям. Каждый объект, в котором применяется кондиционирование воздуха, имеет свои индивидуальные особенности. И поэтому каждая система кондиционирования воздуха (СКВ) тоже может рассматриваться как индивидуальная, а в ряде случаев и как уникальная. В подтверждение вышесказанного отметим, что специалистам высшей квалификации, прошедшим обучение в вузах по данной отрасли науки и техники, в разных странах выдаются дипломы, определяющие существенное различие в принадлежности их компетенций. В некоторых странах Европы это инженер-технолог, в других инженер-механик, в СССР (а ныне в странах СНГ) выпускникам вузов присваивается квалификация инженер-строитель. Очевидно, что то многообразие процессов и технических проблем, которые нужно решать при кондиционировании воздуха, нельзя заключить в какие-то узкие рамки. При проектировании, эксплуатации и разработке элементов СКВ нужно быть технологом, механиком, строителем, монтажником, экономистом, ориентироваться в метеорологии, в санитарно-гигиенических основах организации труда, быта и отдыха, изучать особенности технологического процесса, для которого устраивается СКВ. По этой причине специалист, работающий в данной области должен заниматься самообразованием, изучать смежные области знаний и постоянно следить за изменениями в индустрии СКВ.

В настоящее время на рынке РБ в области проектирования, монтажа и поставки средств кондиционирования воздуха работает свыше 100 хозяйствующих субъектов, которые применяют в основном ввозимую технику, снабжаемую переводными техническими документами. Материал переводчиков, часто без надлежащего технического редактирования, попадает к потребителю. По этой причине сейчас и сформировалось некоторое многообразие терминов и понятий, которые по разному трактуются на различных уровнях реализации и использования проектов. 

Кондиционирование воздуха – процесс создания и автоматического поддержания в закрытых помещениях (объемах) заданных температуры (t), влажности (относительной (φ) или влагосодержания (d)), чистоты, состава и подвижности воздуха. При оценке чистоты воздуха имеется в виду наличие информации о количестве в нем механических примесей, носителей запахов, микрофлоры, частиц аэрозолей и т.п. Поддержание требуемого состава воздуха подразумевает обеспечение содержания в нем в заданных соотношениях газовых компонентов и аэроионов.

Кондиционирование воздуха реализуется с помощью кондиционеров, состоящих из набора функциональных блоков, выполняющих функции по управляемому изменению одного или нескольких параметров, определяющих состояние воздуха. Кондиционер в целом представляет собой сагрегатированный комплекс функциональных блоков, предназначенных для автоматического приготовлению воздуха требуемых параметров и доставки его потребителю. Следует отметить, что системы вентиляции являются только частным случаем СКВ. Они предназначены для проветривания помещений и управления только температурой и подвижностью воздуха (ventilatio (лат.) - проветривание).

Воздух требуемых параметров может готовиться для удовлетворения потребностей человека (комфортное кондиционирование), для обеспечения  условий реализации технологических процессов (технологическое кондиционирование) и для совместного решения этих задач (комфортно-технологическое кондиционирование).

В большинстве случаев в состав кондиционера входят функциональные блоки для нагрева и охлаждения воздуха, что требует устройства систем тепло- и холодоснабжения. Холодильная машина и источник тепловой энергии могут входить в состав кондиционера. В этом случае кондиционеры называются автономными. Холодоснабжение и теплоснабжение может осуществляться и от общего для нескольких СКВ источника холода и теплоты. В этом случае кондиционеры называются неавтономными с централизованным холодоснабжением и теплоснабжением. По числу обслуживаемых помещений кондиционеры подразделяются на местные (обслуживают одно помещение или часть его) и центральные (обслуживают несколько помещений). Как правило, местные кондиционеры являются автономными и располагаются в обслуживаемом помещении или рядом с ним.  Важное место в технологии кондиционирования воздуха имеют кондиционеры-доводчики. При обслуживании центральным кондиционером помещений с различными требуемыми внутренними параметрами или при различных требуемых микроклиматических условиях в различных зонах одного помещения он готовит воздух, параметры которого не соответствуют заданным для некоторых помещений или зон. Доведение параметров воздуха до требуемых значений для этих помещений или зон осуществляется местными или зональными кондиционерами-доводчиками.

По продолжительности периода использования СКВ подразделяются на круглогодичные и сезонные. По степени использования наружного воздуха кондиционеры подразделяются на прямоточные и рециркуляционные. В первом случае для подачи в помещения используется только наружный воздух, в последнем - к наружному воздуху в различных пропорциях подмешивается внутренний (уходящий) воздух.

Системы комфортного кондиционирования воздуха предназначены для обеспечения благоприятных для жизнедеятельности человека параметров воздушной среды.

В процессе жизнедеятельности в организме человека непрерывно выделяется тепловая энергия (Q), которая должна отводиться с поверхностных структур в окружающую среду. Этому сопутствует выделение человеком в окружающую среду влаги (М) и различных газов (С), преимущественно углекислого газа.

При равенстве количества выделяемой теплоты (метаболизма) теплоотводу в окружающую среду у человека формируются ощущения, которые классифицируются как комфортные. Соответствующие этому состоянию человека параметры воздушной среды классифицируются как оптимальные. В зарубежной литературе для определения уровня метаболизма введена специальная единица «Met», которая изменяется от значения 0,7Met (состояние сна) до ~5Met при выполнении тяжелой физической работы. Таким образом, в зависимости от обстоятельств уровень метаболизма человека может изменяться почти в 7 раз. Отечественные нормативные источники устанавливают, что в состоянии покоя и тяжелого физического труда расчетные тепловыделения человека изменяются в среднем в интервале 115…290 Вт полной теплоты.

Отметим, что уровень тепловыделений дополнительно ощутимо зависит от пола, возраста, массы и физиологического состояния организма, а восприятие окружающей среды еще и от психологического состояния человека.

Выделяемая в организме теплота отводится в окружающую среду:

- с помощью конвективного теплообмена открытых участков тела с окружающим воздухом, ;

- теплопередачей через одежду и далее конвективного отвода теплоты к окружающему воздуху, ;

- радиационным теплообменом с поверхностью окружающих тел, предметов и строительных конструкций, ;

- при испарении жидкости с поверхности кожи, слизистых оболочек и, в том числе, при дыхании, .

Составляющие  и  зависят от подвижности воздуха; пропорциональны разности между температурой окружающей воздушной среды и температурой теплоотдающей поверхности, а также площади теплоотдающей поверхности; поток теплоты  еще зависит и от теплозащитных качеств одежды. Приведенные здесь факты показывают, что конвективный отвод теплоты, а значит и степень комфортности окружающей среды зависит от вида одежды, температуры окружающего воздуха и его подвижности. При высокой подвижности воздуха может формироваться дискомфортное состояние, называемое эффектом сквозняка.

Отвод теплоты с помощью теплового излучения  (тепловой поток ) определяется конфигурацией и назначением окружающих строительных конструкций, цветовой гаммой теплозащитными качествами одежды и поверхности ограждений. Он пропорционален разности четвертых степеней температуры теплообменивающихся поверхностей. Последнее стоит подчеркнуть особо. Человек, находящийся в «теплой» воздушной среде и внутри помещения с «холодными» внутренними поверхностями будет ощущать дискомфорт. Этому способствует и наличие (особенно значительных) площадей остекления в стенах и перекрытиях зданий. В условиях прозрачного остекления часть поверхности одежды и тела с помощью теплового излучения отдают теплоту наружным более холодным предметам, трехатомным газам (водяные пары, углекислый газ и т.п.) и через атмосферу в мировое пространство. Теплозащитные качества ограждений в значительной степени определяют состояние комфорта или дискомфорта человека. И в этой связи следует еще раз подчеркнуть важность систем отопления, теплотехнических характеристик стен, полов и перекрытий в формировании комфортных условий в помещениях. Совокупность СКВ, систем отопления и вентиляции, ограждений помещений, других инженерных систем, участвующих в формировании параметров микроклимата, называется системой кондиционирования микроклимата (СКМ).

На испарение 1г влаги расходуется 2260 Дж (540кал) теплоты. Именно поэтому каждый грамм влаги, испаряющийся с поверхности кожи или слизистой оболочки, или выводимый из организма с воздухом в процессе дыхания отводит и значительное количество теплоты. Количество испаряющейся с поверхности влаги зависит от ее температуры, температуры и влажности окружающего воздуха, а также от его подвижности. Таким образом, влажность воздуха тоже является важнейшим фактором, определяющим комфортное состояние человека. Кроме регуляции теплоотвода влажность воздуха оказывает воздействие и на степень «сухости» слизистых оболочек.

Таким образом, в воздушную среду помещений с поверхности тела человека отводится явная теплота (теплота, повышающая температуру воздушной среды) +  и так называемая скрытая теплота =2260М. Здесь М – количество испарившейся с поверхностей тела человека влаги. Сумма Q = + +  в кондиционировании воздуха называется полной теплотой.

Следует отметить возможность влияния на формирование ощущения комфорта и некоторых других факторов. Например, высоко расположенные в помещении окна и длительное или систематическое отсутствие видимости горизонта приводит к психологическим расстройствам (эффект тюремной камеры) и к неадекватному восприятию хорошо работающей СКВ. аналогичное воздействие могут оказывать и низко расположенные окна.

Длительное воздействие на организм воздушной среды с нарушенным составом аэроионов особенно ощутимо сказывается на состоянии людей, болеющих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Природная концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов в воздухе нарушается при очистке его в фильтрах, при прохождении через форсуночные камеры, теплообменные аппараты и т.п.

Схема возмущающих воздействий при формировании параметров микроклимата в помещении показана на рис.1. Возмущающие воздействия (тепло- и влаговыделения, поток газов, аэрозолей, пыли и т.п.) изменяют параметры воздуха в помещении. СКВ в этой ситуации призвана вносить корректирующее воздействие. Например, при наличии в помещении избыточной теплоты приточный воздух должен иметь более низкую температуру, чем воздух рабочей зоны, < . Приточная струя в этом случае путем смешения с внутренним воздухом (разбавления его) поглощает (ассимилирует) теплоизбытки при движении от воздухораспределителя к рабочей зоне. На этом пути меняется также влажность воздуха и поле скоростей в приточной струе. На входе в рабочую зону параметры воздуха в ней должны соответствовать оптимальным. Имеется в виду, что температура, влажность и подвижность воздуха в рабочей зоне должны соответствовать комфортным (оптимальным) условиям. Количество приточных струй, их расположение и расход воздуха в них должны соответствовать суммарному количеству теплоты, выделяемой в обслуживаемой зоне. Аналогично решается вопрос поглощения (разбавления) других вредностей.

При проектировании СКВ необходимо учитывать факты поступления в помещение различных вредностей и на основании составления балансов их находить параметры всех компонентов системы кондиционирования воздуха. Для однотипных помещений и технологий расчеты могут упрощаться на основании систематизации ранее полученных сведений. Так, например, выбор параметров и типа кондиционера может осуществляться на основании сведений о площади или объеме обслуживаемого помещения. Однако, увлечение казалось бы надежными результатами обобщения иногда может привести к ошибкам. В подтверждение этого можно привести формулировку третьего закона Финэйгла: «В любом наборе исходных данных самая надежная величина, не требующая никакой проверки, является ошибочной». Человек всегда должен думать при принятии решений, особенно базирующихся на шаблонах.

Для больших помещений со значительным выделением тех или иных вредностей принцип разбавления их (разбавляющая вентиляция) может привести к большим воздухообменам и затратам, в ряде случаев неоправданным. В этой ситуации при локальном расположении рабочих мест целесообразно применять при организации подачи приготовленного воздуха принцип вытеснения вредностей из рабочей зоны (вытесняющая вентиляция). В этом случае только в месте расположения рабочих мест создаются зоны с требуемыми параметрами воздуха, т.н. оазисы.

Рис.1. Схема возмущающих воздействий при формировании параметров микроклимата в помещении. Обозначения на рисунке: Q- поток теплоты; M – влаговыделения; C – поток газов, аэрозолей, пыли и т.п.; t – температура воздуха; φ – относительная влажность воздуха; c – концентрация отдельного вида газа в воздухе; w – подвижность воздуха. Индексы: ок – окно; от – отопление; т – технологические или бытовые (в том числе и системы освещения); л – люди; пл – пол; у – удаляемый, уходящий, вытяжной воздух; о – приточный воздух; п, с – перекрытие, стена; д – двери; R – тепловое излучение.

При различии вышеприведенных факторов в пределах одного помещения достаточно трудно обеспечить комфортное состояние каждого индивидуума, к тому же каждый из нас по своему воспринимает воздействие окружающей среды. По этой причине при нормировании оптимальных параметров воздушной среды оперируют средними величинами, которые и применяются в практике проектирования СКВ и СКМ. При невозможности их обеспечения в практике проектирования применяются «допустимые параметры» воздушной среды, интервал изменения которых шире. Численные значения этих параметров регламентируются БНБ 4.02.01, СНиП 2.04.08 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», ГОСТ 30494 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», ГОСТ 12.1.005 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» и др. Например, ГОСТ 12.1.005 устанавливает следующие значения параметров воздушной среды рабочей зоны производственных помещений (выдержка их табл.1):

Таблица 1.

Период года	Категория работ	Температура, ºС			Относительная влажность воздуха, %		Подвижность  воздуха, м/с
		Оптимальная	Допустимая		Оптимальная	Допустимая на рабочих местах постоянных и непостоянных, не более	Оптимальная	Допустимая на рабочих местах постоянных и непостоянных**
			верхняя граница	нижняя граница
			на рабочих местах*
Холодный	Легкая,1а	22-24	25 26	21 18	40-60	75	0,1	Не более 0,1
	Тяжелая,III	16-18	19 20	13 12	40-60	75	0,3	Не более 0,5
Теплый	Легкая,1а	23-25	28 30	22 20	40-60	55…75 в зависимости от температуры воздуха (меньшее значение φ для больших значений температуры)	0,1	0,1-0,2
	Тяжелая,III	18-20	26 28	15 13	40-60		0,4	0,2-0,6

* - в числителе представлены значения температуры для постоянных рабочих мест, в знаменателе - для непостоянных;

** - большее значение скорости движения воздуха соответствует большему значению температуры, меньшие – меньшему.

Для обслуживаемой зоны помещений жилых, административно-бытовых и общественных зданий при условии нахождения в них людей более 2 часов непрерывно оптимальные параметры воздуха представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Период года	Температура воздуха, ºС	Относительная влажность воздуха, %	Скорость движения воздуха, м/с, не более
Теплый	20-22 23-25	60-30 60-30	0,2 0,3
Холодный и переходные условия.	20-22	45-30	0,2

 

Приготовление воздуха требуемых параметров осуществляется в кондиционерах. На приведенном ниже рисунке представлена возможная схема комплектации центрального кондиционера функциональными блоками.

Рис.2. Схема центрального кондиционера.

Обозначения: НВ – наружный воздух; УВ – уходящий из помещения воздух; Ф – фильтр; У – утилизатор теплоты; Т1, Т2 – аппараты нагрева (охлаждения) воздуха; БУ – блок увлажнения воздуха; Р1, Р2, Р3, Р4 – места возможного включения рециркуляции; ВВ – вентилятор перемещения уходящего (вытяжного) воздуха; ВП – вентилятор перемещения приточного воздуха.

 - температура наружного воздуха на входе в утилизатор; t - температура удаляемого воздуха на входе в утилизатор;  t -  температура наружного воздуха на выходе из утилизатора; t  - температура удаляемого воздуха на выходе из утилизатора.

На рисунке не показаны шумоглушители, наличие которых в большинстве установок необходимо.

Конструктивно тракт приточного и удаляемого воздуха может иметь ярусную (рис.2) компоновку и различные варианты расположения в одну линию. В ярусной компоновке каждый из потоков может занимать верхнее или нижнее положение, при этом направление движения их может быть параллельным или встречным, горизонтальным или вертикальным. По расположению кондиционеры могут быть внутренними (устанавливаются в помещениях) и наружной установки (располагаются, например, на крышах). Место установки определяет конструктивные особенности (в частности, теплозащитные качества) наружных панелей и вид защитных покрытий. Для обработки небольших объемов воздуха можно установить потолочные кондиционеры, располагаемые в подпотолочном пространстве. Для удобства обслуживания кондиционеры выпускаются с левой и правой стороной обслуживания. Приведенный здесь перечень вариантов изготовления кондиционера позволяет утверждать, что абсолютное большинство требований потребителя могут быть удовлетворены. К этому следует добавить, что вентиляторная секция и блок приема наружного воздуха могут быть изготовлены с различными направлениями выхода и входа воздуха. Возможно применение и кондиционера без совместного расположения с трактом уходящего воздуха.

Фильтры представляют собой внешне простую конструкцию, работа которой основана на пропуске запыленного потока через пористый фильтрующий материал, располагаемый в сечении кондиционера преимущественно в отдельных плоских ячейках рамной конструкции или в виде сшитых карманов, тоже располагаемых в отдельных рамках. В качестве фильтрующих материалов применяется в основном нетканые полотна, имеющие широкую гамму параметров, определяющих: степень очистки воздуха, минимальный размер улавливаемых частиц, пылеемкость, аэродинамическое сопротивление (ΔР) или воздухопроницаемость, температурный предел эксплуатации, прочность, относительное удлинение под воздействием нагрузки и т.д. Эти показатели определяются видом нити, образующей полотно, ее толщиной (текс), плотностью и способом укладки, толщиной самого полотна. По степени эффективности фильтры делятся на фильтры грубой, тонкой, высокой и сверхвысокой эффективности. Фильтры грубой очистки по классификации EUROVENT 4/5 (классы очистки EU1… EU4) обеспечивают эффективность при улавливании стандартной кварцевой пыли от 35% (EU1) до 70% (EU4), а фильтры тонкой очистки (классы очистки EU5… EU9) соответственно от 80 до 98%.

Компоновка  и выбор блока (блоков в многоступенчатых схемах фильтрации) очистки воздуха имеет не только санитарно-гигиенические или технологические последствия. Она напрямую определяет экономические показатели эксплуатации кондиционера. Это затраты на закупку новых фильтрующих элементов при их замене, оплата электроэнергии (С ), затрачиваемой вентилятором на преодоление сопротивления фильтра

.

Здесь: Е – тариф на оплату электроэнергии, руб/кВт*ч; ΔР – аэродинамическое сопротивление блока очистки воздуха, Па; L – расход очищаемого воздуха, м /с; η – к.п.д. вентилятора; τ – продолжительность эксплуатации фильтра, час.

Отметим, что по мере загрязнения фильтрующего материала сопротивление его возрастает, возрастают соответственно и затраты на его эксплуатацию. Требуется осуществлять тщательное соблюдение инструкции производителя по эксплуатации фильтрующих блоков и применять их в соответствии с назначением.

По назначению фильтры подразделяются на фильтры для очистки наружного, удаляемого и приточного воздуха.

В кондиционерах применяются пластинчатые (рекуперативного типа) утилизаторы с перекрестноточным движением теплообмениающихся сред, роторные утилизаторы с вращающейся насадкой (регенеративного типа) и утилизаторы с промежуточным теплоносителем. Применение того или иного вида теплоутилизатора диктуется параметрами уходящего и наружного воздуха, возможностью или недопустимостью их смешивания, расположением потоков. Пластинчатый и роторный теплоутилизаторы имеют совмещенные в одном блоке каналы для уходящего и наружного воздуха. В этом случае возможны взаимные или односторонние перетечки, которые в отдельных случаях должны быть полностью исключены по санитарно-гигиеническим требованиям. Теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем позволяют полностью исключить перетечки и утилизировать теплоту от дальних источников.

Задача этих блоков утилизации состоит в передаче части теплоты от уходящего воздуха к наружному. Эффективность процесса утилизации оценивается температурным коэффициентом эффективности, который определяется по выражению

.

Смысл идентификаторов формулы ясен из обозначений на рис. 2. По материалам производителей утилизаторов установлено: максимальное значение ε для пластинчатых утилизаторов равно 0,7; для роторных – 0,83; для утилизаторов с промежуточным теплоносителем – 0,5. Следует отметить, что при охлаждении уходящего воздуха из него может выпадать конденсат, который в области отрицательных температур замерзает и растущая снеговая шуба может перекрыть проточные каналы. В этом случае в пластинчатых теплоутилизаторах применяется включение перепуска наружного воздуха через байпас, а в роторных изменяется скорость вращения ротора. Это приводит к снижению коэффициента эффективности, который в среднем для пластинчатых утилизаторов равен 0,5. Применение их возможно в среднем при температурах наружного воздуха выше -5ºС.

Количество теплоты, отбираемое от уходящего воздуха пропорционально температуре уходящего воздуха и значению ε, т.е. ~ . При низких значениях , а также ввиду ограничений в использовании при -5 ºС и высокой стоимости утилизаторов применение их каждый раз должно иметь экономическое обоснование.

Увлажнение воздуха в кондиционерах и в процессах кондиционирования осуществляется путем ввода в поток воздуха пара (в том числе и за пределами кондиционера); с помощью форсуночных камер и путем пропуска воздуха через орошаемые слои, устраиваемые в виде кассет с насадкой; с помощью атомайзеров и дисковых увлажнителей.

Этот перечень средств увлажнения воздуха не является исчерпывающим. Кроме того, каждое из перечисленных выше устройств имеет ряд модификаций. Технология функционирования средств увлажнения является, пожалуй, самой сложной в процессах кондиционирования воздуха.

В последнее время форсуночные камеры и орошаемые слои применяются достаточно редко, ввиду высокой стоимости этих блоков. В этих устройствах осуществляется адиабатическое увлажнение воздуха, сопровождающееся понижением его температуры. Устанавливаемый далее воздухоподогреватель подогревает воздух до требуемой температуры. Циркуляция воды осуществляется по замкнутому циклу без подвода и отвода теплоты. Требуется периодическое пополнение воды в поддоне ввиду испарения ее в поток воздуха и частичное ее замещение  для снижения концентрации растворенных веществ. В процессе эксплуатации в поддоне накапливается улавливаемая водой пыль, растут колонии микроорганизмов.

Атомайзеры формируют высокодисперсный факел воды с помощью сжатого воздуха или при пропуске воды высокого давления через отверстия малого диаметра. Образующийся туман быстро и эффективно повышает влажность воздуха. Процесс адиабатический как и в форсуночных камерах. При применении атомайзеров устанавливаются требования к качеству воды.

В последнее время все большее применение в кондиционировании находят паровые увлажнители воздуха. Пар генерируется в миниэлектрокотлах различного типа. Эта система имеет малые габариты, хорошо управляема. Процесс увлажнения воздуха паром осуществляется с незначительным его подогревом. Однако, следует отметить его достаточно высокую энергозатратность. На ввод 1 г воды в увлажняемый воздух при расходе его 1 кг/с требуется установленная мощность электрокотла свыше 2,7 кВт. При производительности кондиционера 10000м /ч (3,33 кг/с) и дефиците влаги 5 г/кг часовой расход электроэнергии составит свыше 45 кВт*часов.

Важное значение в кондиционировании имеет и последовательность обработки воздуха, т.е. чередование процессов нагрева, увлажнения, рециркуляции, рекуперации и т.п. Этот набор технологических операций тоже влияет на экономические показатели СКВ.

 

Рис.3. Схема бытового кондиционера.

 

Для кондиционирования воздуха в жилых и офисных помещениях применяются преимущественно локальные СКВ, обслуживающие одно или несколько помещений. Функционально они обеспечивают охлаждение-нагрев и очистку обрабатываемого воздуха. Теплота от внутреннего воздуха забирается с помощью испарительных блоков, расположенных внутри обслуживаемых помещений. Саккумулированная хладоагентом теплота переносится к наружному компрессорно-конденсаторному блоку и рассевается им в атмосфере. Раздельное размещение блоков предопределило и название таких систем – «сплит-системы». Если в состав сплит-системы входит несколько испарительных при одном компрессорно-конденсаторном блоке, то она называется мульти сплит-системой. Сплит-системы могут быть реверсивного типа, т.е. в переходные периоды года за счет изменения направления циркуляции хладоагента, обеспечивают обогрев обслуживаемых помещений за счет теплоты наружного воздуха. Внутренние блоки изготавливаются настенного, напольно-потолочного, колонного и кассетного типов и по дизайнерским решениям могут удовлетворить вкус любого клиента. В настоящее время развивается направление многозональных систем с изменяемым расходом хладоагента (сити мульти), у которых число испарительных блоков может быть свыше десяти.

 Фактически офисные и бытовые кондиционеры представляют собой парокомпрессорные холодильные машины.

Цикл работы их состоит из следующих процессов. Компрессор сжимает пары хладоагента и при этом повышается их температура. Горячие пары поступают в воздушный конденсатор, где охлаждаются и конденсируются. В конденсаторе теплота перегрева паров и скрытая теплота парообразования передаются наружному воздуху. После дросселирования (снижения давления)  в вентиле или капилляре и сопровождающего этот процесс снижения температуры хладоагент в парожидкостном состоянии поступает в испаритель (внутренний блок). Холодные трубки испарителя омываются с помощью вентилятора внутренним воздухом, который в нем охлаждается.  За счет передачи теплоты от внутреннего воздуха к хладоагенту последний кипит и в парообразном состоянии направляется опять в компрессор. Таким образом, кондиционер осуществляет работу по переносу теплоты от внутреннего воздуха к наружному. На L кВт энергии, затраченной на привод компрессора, из помещения выносится Q кВт теплоты. Соотношение Q/L называется холодильным коэффициентом, и чем он выше, тем при прочих равных условиях совершеннее кондиционер. Холодильный коэффициент в зависимости от температуры наружного воздуха изменяется в среднем в интервале 2…3.

Реверсивные кондиционеры (тепловые насосы) при прочих равных условиях дороже на 5…10% и при переносе теплоты от наружного воздуха к внутреннему на 1 кВт затраченной энергии вырабатывают для обогрева тоже до 3 кВт теплоты.

Компрессорно-конденсаторный блок имеет воздушный конденсатор, внешние теплообменные поверхности которого обдуваются наружным воздухом с помощью одного или нескольких осевых вентиляторов. При выборе места расположения этого блока необходимо выполнение следующих условий:

- не задувание блока ветрами;

- минимизация нагрева его лучами солнца;

- свободный доступ наружного воздуха к воздухозаборному отверстию и свободный выход его из блока в окружающую среду;

- надежность и удобство крепления блока на строительных конструкциях и удобство последующего обслуживания;

- компрессорно-конденсаторный блок должен располагаться максимально близко к испарительным блокам.

Последнее требует дополнительного разъяснения. При увеличении длины трубопроводов, соединяющих испарительный и компрессорно-конденсаторный блоки, увеличиваются потери давления при перемещении хладоагента. Температуры кипения и конденсации хладоагента зависят от давления и, следовательно, гидравлический режим трубопроводов холодильного контура может повлиять на температурный режим работы кондиционера. Кроме того, снижение давления на всасывании компрессора приводит к снижению его производительности, а значит и к снижению холодопроизводительности установки.

Длина соединительных трубопроводов между компрессорно-конденсаторным и испарительными блоками ограничивается и максимальное значение ее назначается производителем охлаждающих систем.

При проектировании коммуникационной системы данной СКВ необходимо учитывать следующие обстоятельства и факты:

- компрессорно-конденсаторный и испарительный блоки соединяются двумя трубопроводами: для транспортировки хладоагента в газообразном и жидком (парожидкостном) состоянии;

- электрокабелями системы управления, контроля параметров и силового питания;

- при охлаждении внутреннего воздуха в испарительном блоке может образовываться конденсат, который с помощью конденсатопровода отводится в канализацию или для слива в приемник наружного блока (самотеком или с помощью насоса); при прокладке конденсатопровода внутри необогреваемых помещений или вне здания может предусматриваться применение специального кабеля для обогрева его в холодный период года;

- при устройстве напорного конденсатопровода система отвода конденсата комплектуется специальным насосом для его перемещения;

- не рекомендуется размещать испарительный блок вблизи источников теплоты, влаги и вблизи дверных проемов;

- струя охлажденного воздуха от внутреннего блока не должна формировать ощущение дискомфорта или сквозняка в обслуживаемой зоне; для этого испарительный блок настенного типа должен располагаться не ниже рекомендуемой производителем высоты, а в его конструкции предусматриваются отклоняющие лопатки, предназначенные для изменения направления движения струи;

- в помещениях с малой высотой, если невозможно обеспечит условия комфорта с помощью настенных блоков, следует рассматривать возможность применения блоков колонного или напольно-потолочного типа; блоки кассетного типа применяются встроенными в подшивные потолки;

- конфигурация и длина трубопроводов для перемещения хладоагента по циклу должна обеспечивать возврат масла к компрессору.

Последнее требует дополнительного разъяснения. Большинство хладоагентов образуют растворы со смазочными материалами. По этой причине проходящий через компрессор хладоагент выносит масло в трубопровод, соединяющий его с конденсатором. Масло должно возвращаться к компрессору, пройдя дросселирующее устройство и испаритель. При невозврате его к компрессору последний будет эксплуатироваться (после какого то рабочего периода) без смазки. Не возникают проблемы с перемещением масла по контуру при нахождении хладоагента в жидком состоянии, т.е. на участке от конденсатора до испарителя. В потоке газообразного хладоагента масло находится в состоянии аэрозоля и возникают проблемы с его перемещением по трубопроводу, особенно на участках подъема.

Рекомендуется: на участках подъема потока газообразного хладоагента обеспечивать скорость движения его не менее 5 м/с. Такая скорость для масляного аэрозоля является транспортирующей.

Скорость движения газообразной фазы хладоагента может уменьшаться со снижением холодопроизводительности установки. По этой причине для каждого диаметра трубок и вида хладоагента устанавливается минимальная холодопроизводительность установки, при которой еще обеспечивается подъем масла. В горизонтальных линиях для стекания масляной пленки обеспечивается уклон в сторону движения потока не менее 0,5%.

При высоте вертикальных участков более 6м тоже могут возникнуть проблемы с перемещением масла по контуру и в этом случае через каждые 6..7м необходимо устраивать маслоподъемные петли. Сведения о них представлены в специальной литературе или в технической информации производителей.

Проблемы с эксплуатацией сплит-систем могут возникнуть и в случае когда компрессор находится ниже испарителя или конденсатора. Стекающее после остановки компрессора масло и, возможно, жидкая фаза хладоагента могут накапливаться перед клапанами и способствовать возникновению гидравлического удара при пуске. При проектировании коммуникаций сплит-систем этот факт необходимо учитывать и при наличии восходящих трубопроводов линии всасывания или нагнетания (перепада высот более 3м) в нижней части трубопроводов устанавливать уже упоминавшуюся маслоподъемную петлю.

При выборе оборудования сплит-систем необходимо обращать внимание также на уровень шума установки. Особенно внутреннего блока. Источниками шума во внутреннем блоке является вентилятор и факты деформации потока в проточных каналах. Уровень шума установки должен удовлетворять требованиям санитарно-гигиенических норм.

Производители сплит- и мульти сплит-систем в испарительных блоках предоставляют потребителю в зависимости от его желания реализовать следующие возможности:

- очистка воздуха от пыли (обязательный компонент) с дополнительными функциями очистки от бактерий, табачного дыма, запахов и т.д.;

- ионизации воздуха;

- управления направлением выхода воздуха из испарительного блока (влево-вправо, вверх-вниз), ручное или автоматическое управление расходом охлаждаемого воздуха;

- автоматический переход с режима охлаждения на режим обогрева и наоборот;

- дистанционное управление;

- изменение режимов работы (ночной, быстрое охлаждение, экономичный и т.п.) с помощью задания программы или вручную;

- индикация степени загрязнения фильтра;

- прогрев конденсаторного блока при включении в холодный период года;

- режим осушки воздуха;

- самодиагностика и т.д.

Большое количество производителей систем для кондиционирования воздуха предопределяет возможность назначения широкого спектра опций и практически полного удовлетворения технических и эстетических требований потребителей.

            При самом совершенном кондиционере и при применении эффективных процессов кондиционирования неправильный выбор воздухораспределителей и схемы движения воздуха приведет к неудовлетворительным результатам.

Рис.4. Схемы воздухораспределителей и график изменения скорости по оси струи.

 

Исследования приточных струй и процессов движения воздуха при вентиляции помещений имеет давнюю историю и по сей день является недостаточно изученными. Достаточно отметить, что при классификации приточных струй применяются много эпитетов: изотермическая, неизотермическая, турбулентная, ламинарная, свободная, настилающаяся, стесненная, компактная, каскадная, плоская, веерная, закрученная и т.д.

Схемы некоторых типов воздухораспределителей представлены на рис. 3. Цилиндрический воздухораспределитель 1 формирует прямоточную струю воздуха. При равномерном поле скоростей на истечении выходящий поток за счет трения о рядом расположенные слои воздуха «размывается» и на некотором расстоянии скорость по оси струи остается еще постоянной (график 1), далее происходит падение скорости и по оси струи. Струи, выходящие из цилиндрических насадков имеют самую большую дальнобойность. Коническая струя (воздухораспределитель 2, график 2) имеет уже меньшую дальнобойность и более интенсивное падение скорости по оси струи. Еще большее снижение скорости по оси струи можно получить при применении закрученных струй (воздухораспределитель 3). Центробежная сила увеличивает угол раскрытия струи и позволяет получить самое большое падение скорости по оси. Некоторые типы таких воздухораспределителей имеют регулируемую путем изменения угла установки лопаток закручивателя α степень закрутки. При этом изменяется и угол раскрытия струи β. Веерные струи (воздухораспределитель 4) позволяют получить струю, настилающуюся на потолок, или увеличить путь ее от воздухораспределителя до рабочей зоны при высоких потолках

Правильный выбор воздухораспределителя, типоразмера и количества их, расположения в помещении позволяют получить комфортные условия при эксплуатации СКВ.

Представленный материал дает только представление о сложных процессах кондиционирования воздуха и о составе кондиционеров. Каждому блоку и процессу обработки воздуха можно посвятить монографии. Успех при выборе кондиционера и назначении процессов обработке воздуха будет в том случае, если эти вопросы будут решать квалифицированные специалисты.