Как устроена работа кондиционера?
Название прибора « кондиционер» произошло от английского слова «condition» — кондиция, условие. Посему кондиционер это аппарат предназначенный для того чтобы поддерживать в пределах заданных кондиций внутренний воздух помещения, создавая управляемый микроклимат. Данные устройства работают таким образом что непрерывно переносят тепло из помещения в окружающее пространство, или, при необходимости наоборот.
Как это работает?
Тепло переносится с помощью теплоносителя , роль которого играли в разное время различные вещества, первые кондиционеры в качестве теплоносителя использовали аммиак. В наше время роль теплоносителя играет фреон. «Захват» и отдача тепла работает по методу фазового перехода, это метод перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое.
Это свойство фазового перехода вещества каждый мог наблюдать лично при купании летом. Когда человек выходит из воды он чувствует холод, даже не смотря на то, что температура окружающего воздуха выше 30°С. Это происходит из-за того что при испарении вода забирает тепло с поверхности тела и у окружающего пространства.
Автомобилисты знают, что в случае контакта открытых участков тела с летучими веществами вроде бензина вызывает ощущение холода. А при нулевой температуре окружающего воздуха контакт с летучим веществом может даже вызвать обморожение.
Таким же способом примерно работает кондиционер, только лишь с той поправкой, что фреон не испаряется в окружающее пространство, так как это довольно расточительно. Само испарение происходит внутри специального трубчатого контура, который называется – испаритель. Фреон остается внутри контура, а тепло уходит в окружающее пространство.
Кондиционер работает следующим образом:
- Фреон сжимается в компрессоре до 15-20 атмосфер и выпускается в конденсатор.
- В тот момент, когда фреон выходит и компрессора давление резко падает и фреон превращается в горячий пар.
- Конденсатор служит для того чтобы перевести фреон из газообразного в жидкое состояние, этот процесс сопровождается большим выбросом тепла. Именно во время этого процесса происходит отдача тепла, и потому конденсатор должен контактировать с наружным воздухом.
- Жидкий фреон попадает в испаритель, где при снижении давления хладагент переходит в газообразное состояние, что сопровождается активным поглощением тепла, поэтому испаритель должен находиться в непосредственном контакте с воздухом помещения которое нужно охладить.
- Фреон в газообразном состоянии поступает в компрессор, и процесс начинается заново.
В том случае, когда требуется, чтобы кондиционер работал на нагрев, то при помощи четырехходового клапана поток воздуха перенаправляется таким образом, чтобы теплый воздух попадал в помещение, а тепло забиралось снаружи. Соответственно нужно, чтобы наружный воздух сам был достаточно теплым для того чтобы нагреть хладагент.
Если на улице температура падает до нуля, то есть именно когда и требуется обогрев помещения, пользоваться кондиционером для обогрева невозможно. Поэтому кондиционеры не могут использоваться в качестве основного средства обогрева помещения.
Способы расчета мощности
В действительности методик определения холодильной мощности для помещения существует не так уж много:
- С помощью специальных калькуляторов, размещенных на интернет-ресурсах производителей или крупных дилеров, продающих холодильную бытовую технику.
- По квадратуре комнаты.
- По формулам с учетом объема помещения и тепловых источников в нем.
- Теплофизический расчет ограждающих конструкций для летнего времени с учетом дополнительных теплопоступлений.
Из 4 перечисленных методов обычному домовладельцу, желающему подобрать кондиционер для комнаты, доступны первые 3, последний способ достаточно сложен и ним пользуются инженеры – проектировщики в своих расчетах.
Мощность потребления и холодопроизводительность
возможные теплопритоки
Мощность потребления – расход электричества в единицу времени (тоже в кВт). Потребляемая энергия тратится на вывод некоторого количества тепла из помещения наружу. Величина холодопроизводительности обычно выше в несколько раз мощности потребления именно потому, что тепло не поглощается прибором, а удаляется на улицу.
Через суммарное соотношение этих двух величин можно судить об энергоэффективности (EER) кондиционера, то есть о его экономичности в плане потребления энергии. Производители выделяют семь классов энергоэффективности, среди которых самым выгодным оборудованием считают приборы, соответствующие классу A. Они меньше всего затрачивают энергии на свою работу. Важным показателем в данном случае станет потребление за год.
Как уже упоминалось, эта величина имеет два обозначения: БТЕ (BTU) и кВт. Первая является британской тепловой единицей, соответствующей 0,293 ватта. В маркировке разные торговые марки по-разному обозначают эту характеристику. Обычно номинальные значения мощности в БТЕ кратны 1000. Если в коде маркировки или в технической документации встречаются цифры 7 (07), 9 (09), 12, 18 и так далее, то это и есть значения номинальной мощности, где 7=7000 БТЕ, 9=9000 БТЕ и далее по списку. Специалисты, соответственно, называют их «семерка», «девятка», «двенашка», «восемнадцатый».
Учет притока свежего воздуха от приоткрытого окна
Методика, по которой мы рассчитали мощность кондиционера, предполагает, что кондиционер работает при закрытых
окнах и свежий воздух в комнату не поступает. В инструкции к кондиционеру обычно также говорится о том, что
эксплуатировать его необходимо при закрытых окнах, иначе наружный воздух, попадая в помещение, будет создавать
дополнительную тепловую нагрузку. Следуя инструкции, пользователю приходится периодически отключать кондиционер,
проветривать помещение и снова включать его. Это создает определенные неудобства, поэтому покупатели часто
интересуются, можно ли сделать так, чтобы и кондиционер работал, и воздух был свежим.
Для ответа на этот вопрос нам нужно разобраться, почему кондиционер может эффективно работать вместе с
приточной вентиляцией, но не может — с открытым окном. Дело в том, что система вентиляции имеет вполне
определенную производительность и подает в помещение заданный объем воздуха, поэтому при расчете мощности
кондиционера можно легко учесть эту тепловую нагрузку. С открытым окном ситуация иная, ведь объем воздуха,
попадающий через него в комнату, никак не нормируется, и дополнительная тепловая нагрузка неизвестна.
Эту проблему можно попробовать решить, установив окно в режим зимнего проветривания (приоткрыв форточку) и
закрыв в комнате дверь. Тогда в помещении не будет сквозняков, но небольшое количество свежего воздуха будет
постоянно поступать внутрь. Сразу оговоримся, что работа кондиционера с приоткрытым окном не предусмотрена
инструкцией, поэтому мы не можем гарантировать нормальную работу кондиционера в таком режиме. Тем не
менее, во многих случаях такое техническое решение позволит поддерживать в помещении комфортные условия без
периодического проветривания. Если вы планируете использовать кондиционер в таком режиме, то необходимо учесть
следующее:
- Мощность Q1 должна быть увеличена на 20 — 25% для компенсации тепловой нагрузки
от приточного воздуха. Эта величина получена исходя из однократного дополнительного воздухообмена при
температуре / влажности наружного воздуха 33°С / 50% и температуре внутреннего воздуха22°С. В калькуляторе вы можете выбрать другую кратность воздухообмена (рекомендуемое значение
для жилых помещений — от 1 до 2). - Потребление электроэнергии возрастет на 10 — 15%. Заметим, что это является одной
из основных причин запрета эксплуатации кондиционеров при открытых окнах в офисах, отелях и других
общественных помещениях. - В некоторых случаях теплопритоки могут оказаться слишком большими (например, при очень жаркой погоде) и
кондиционер не сможет поддерживать заданную температуру. В этом случае окно придется закрыть. - Желательно выбрать инверторный кондиционер, поскольку он имеет переменную мощность охлаждения и будет
эффективно работать в широком диапазоне тепловых нагрузок. Обычный (не инверторный) кондиционер увеличенной
мощности из-за специфики своей работы может создавать некомфортные условия, особенно в небольшом
помещении.
Как площадь влияет на производительность прибора
Как правильно подобрать кондиционер по размерам комнаты? Иногда мощь охлаждения путают с потребляемой мощностью. Но это разные показатели, так как первый показатель многократно превышает второе значение.
Для небольшого помещения при расчете вполне подойдут приведенные выше параметры. Но для помещений с большим объемом нужно учитывать удельную мощность оборудования. Это вызвано тем, что для охлаждения воздуха в таком помещении (свыше 50 м2) производительности кондиционера может просто не хватить.
А если выбран агрегат с увеличенной мощью, то он постоянно будет работать в режиме «включено-выключено», что для данных приборов такая работа противоестественна.
Пример: кондиционер при работе потребляет 700 Вт, при том он имеет охлаждение мощью 2 кВт. И такое соотношение для прибора нормальное, поскольку он работает так же как холодильник, хладагент отбирает тепло в воздухе и переправляет его наружу.
Эту разницу сил называют энергоэффективностью прибора (ЕЕR). Бытовые агрегаты подобного типа должны иметь показатели 2,4 – 4 единицы. Отсюда следует, что при высоте потолков выше 3 метров, удельная мощь рассчитывается уже по другой схеме.
Ниже приведена таблица, в которой приведены данные о том, как зависит производительность охладителя от размера комнат.
Зависимость производительности кондиционеров от площади помещения
Советы специалистов
Совет №1. Иногда полученное значение холодильной мощности необходимо корректировать из-за изменившихся обстоятельств, например таких, как учет притока свежего воздуха от приоткрытого окна. Если пользователь в процессе работы постоянно открывает окно для проветривания, то в таком случае ему нужно увеличить показатель Q1 на 30%.
Совет №2. Когда монтируется оборудование на верхних этажах, надежнее поместить его на крыше дома, чтобы избежать вызова монтажников-альпинистов или автовышки. При этом надо учитывать, чтобы расстояние между внешним и внутренним блоками не превышало 5-20 метров.
Совет №3. Большая площадь остекления предусматривает увеличение удельной мощи кондиционера на 15-30%, в зависимости от интенсивности воздухообмена.
Совет № 4. Работа кондиционера значительно отличается в зависимости от сезона и в таком случае, для более точного учета мощности на приборе, расчет надо проводить отдельно в каждое время года. Затем полученные показатели умножаются на время работы электроприбора.
На что еще обратить внимание при выборе бытового прибора? В случае значительного увеличения мощи при большой площади помещения, рекомендуется выбрать инверторный кондиционер. У данного типа агрегатов – переменная сила охлаждения и благодаря этому он оптимально функционирует в различных температурных условиях
Как подобрать кондиционер по площади помещения
В качестве примера рассмотрим жилую комнату площадью 20 м2 с потолками высотой 2,75 м. В ней проживает 2 человека и собака крупной породы, установлен компьютер, телевизор, холодильник, микроволновая печь. Средний уровень освещённости, предусматривающий введение коэффициента 35 Вт/м3 (при затенённости помещения он составляет 30 Вт/м3, на солнечной стороне – 40 Вт/м3).
Теплоприток для такого помещения составит:
Q1 = S*h*q/1000 = 20*2,75*35/1000 = 1,93 кВт
С учётом жильцов получаем дополнительный теплоприток:
Q2 = 3*300 Вт = 900 Вт
Техника вырабатывает следующий объём тепла:
Q3 = 4*300 Вт = 1200 Вт
В результате потребляемая мощность кондиционера составит сумму всех полученных показателей.
Q = 1930+900+1200 Вт = 4030 Вт
Производители выпускают технику стандартной производительности 3,5 и 5,3 кВт. Соответственно, в данном случае второй вариант оптимален, так как обеспечивает достаточный запас холодопроизводительности для стабильной работы техники без перегрузок в любых условиях эксплуатации.
Итоговая мощность оборудования, полученная после расчётов на калькуляторе, должна входить в диапазон -5 ÷+15 %. По возможности выбирайте прибор с большей производительностью, обеспечивая таким образом запас, позволяющий агрегату стабильно работать без перегрузок в течение длительного времени. Это связано с тем, что с течением времени нередко в доме появляются новые питомцы, устанавливаются дополнительные электроприборы.
Производительность – основной рабочий показатель климатической техники. Ошибки при определении её оптимального значения приводят к проблемам в ходе эксплуатации оборудования. Расчет мощности кондиционера на калькуляторе потребует минимальных затрат времени. При этом точность полученных данных поможет правильно выбрать модель, учитывая особенности здания, комнат, их назначение, характеристики
Источники
- https://AeroClima.ru/kondicionirovanie/skolko-elektroenergii-potreblyaet-konditsioner/
- https://schetchik-info.ru/skolko-elektrichestva-potreblyaet-konditsioner/
- http://crio.pro/kondicionirovanie-vozduxa/moshhnost-kondicionera/
- https://www.fj-climate.com/about/articles/kak-pravilno-podobrat-moshchnost-konditsionera/
- https://ventilation-conditioning.ru/moshhnost-kondicionera
Как выбрать место для кондиционера в комнате
Неправильно выбранное место установки системы охлаждения снижает ее эффективность в 3–4 раза
Поэтому важно руководствоваться следующими правилами:
- Поток воздуха не должен попадать на место постоянного нахождения человека, например, на диван или письменный стол.
- Блок не должен располагаться в нишах, так как это создает ненужные препятствия на пути воздуха, а также приводит к замерзанию и поломке самого устройства.
- Нельзя располагать блок над розетками и электроприборами, так как при его работе выделяется незначительное количество влаги. Если она попадет на электрический прибор, случится авария.
- Запрещено вешать технику вплотную к стене, так как вы перекроете воздушные отверстия, ввиду чего мощность работы снизится.
6 Пример расчета мощности кондиционера.
Сделаем расчет оптимальной мощности кондиционера для небольшого жилого помещения с такими параметрами:
- Площадь – 26 м²;
- Высота – 2,75 м;
- Количество проживающих – 1 чел.
- Наличие бытовых приборов – телевизор, компьютер и маленький холодильник (165 Вт) (холодильник и телевизор одновременно не включаются);
- Освещенность солнцем – сильная.
Для начала следует рассчитать исходящие теплопоступления от окна, стен комнаты и ее потолка.
В нашем случае показатель q равен 40, так как комната достаточно освещенная:
Q1 = S * h * q / 1000 = 26 м²* 2,75 м * 40 / 1000 = 2,86 кВт.
Теплопоступления от одного человека равно 0,1 кВт.
Q2 = 0,1 kВт
Следующим шагом будет определение теплопритоков исходящих от бытовых приборов. Учитывая то, что компьютер и телевизор работают по отдельности – учитывается лишь одна единица бытовой техники, от которой исходит большее количество тепла. Это компьютер — 0,3 кВт. Он выделяет количество тепла близко 30 процентов от потребляемой мощности — 0,165 кВт * 30% / 100% ≈ 0,05 кВт.
Q3 = 0,3 кВт + 0,05 кВт = 0,35 кВт
6.1 Порядок расчета
Определяем Q1:
Q1 = 32×2,5×35 = 2800 Вт.
Учитывая желание заказчика при любых условиях иметь температуру дома в пределах 20С, увеличиваем Q1 на 25%. Тогда Q1 = 2800 х 1,25 = 3500 Вт.
Определяем Q2:
Поскольку в квартире проживает один человек, регулярно занимающийся спортом, принимаем Q2 = 300 Вт.
Определяем Q3:
Тепловыделение от холодильника составит 30% от 400 Вт, то есть 400×0,3 = 120 Вт.
Поскольку компьютер и телевизор одновременно будут работать редко (в квартире проживает 1 человек), в расчете будем учитывать только тепловыделение от самого «горячего» из них — компьютера, выделяющего 300 Вт тепла.
Следовательно, Q3 = 120 + 300 = 420 Вт.
Определяем Q:
Потребная холодильная мощность составит: Q = 3500 + 300 + 420 = 4220 Вт = 4,22 кВт.
Кондиционер будем выбирать с холодильной мощностью, лежащей в диапазоне 0,95Q – 1.15Q, то есть от 4 до 4,853 кВт.
Затраты электричества в течение дня при EER = 3 составят (4,22/3)х8 = 11,2 кВт*ч.
При нынешних тарифах этой обойдется пользователю в 33,6 – 56 руб.
Q1
Проведем расчет мощности кондиционера по площади. Для помещений, расположенных на одном из средних этажей и имеющих одну наружную стену с окном площадью не более 2 кв. м Q1 в ваттах рассчитывают по формуле:
Q1 = SxHxK,
Где:
- S – площадь помещения, кв. м;
- H – высота помещения, м;
- K – мощность поступления тепла (Вт/куб. м), зависящая от инсоляции (освещенности).
K принимают равным:
- для хорошо освещенных помещений (окно смотрит на юг и не загораживается деревьями): К = 40 Вт/куб. м;
- при средней освещенности: К = 35 Вт/куб. м;
- для затемненных помещений (северная сторона или высокие деревья за окном): К = 30 Вт/куб. м.
Q2
Тепловыделение от людей зависит от вида их деятельности. Если обитатели квартиры не склонны проявлять физическую активность и ведут себя по большей части спокойно, как рыбки в аквариуме, то каждый из них будет выделять 100 Вт тепла. Если же кто-либо из жильцов имеет обыкновение заниматься дома спортом, его тепловая производительность в этот момент будет составлять уже 300 Вт.
Q3
Тепловыделение от бытовых приборов принимают таким:
- компьютер или копировальный аппарат: 300 Вт;
- телевизор: 200 Вт;
- прочее оборудование: 30% от потребляемой электрической мощности.
Мощность тепловыделения всех приборов не всегда следует учитывать в расчете полностью.
К примеру, если в квартире обитает один человек, вряд ли телевизор и компьютер будут работать одновременно.
Подходящим следует считать кондиционер с холодильной мощностью в диапазоне от 0,95Q до 1.15Q.
Расчет мощности охлаждения кондиционера по объему помещения
Теперь мы рассмотрим более сложные, но в то же время более точные способы расчета. Давайте разберем, каким образом можно подобрать мощность кондиционера, исходя из фактического объема комнаты. В данном случае мы будем использовать уже не квадратные метры, а удельный параметр холода на 1 кубический метр (1 м³). Также задействуется удельная мощность — она обозначается как q. Ее значение может варьироваться в зависимости от световых условий, которые преобладают в помещении. Так, если комната затененная, q составит 30 Вт/м³, если освещенность средняя — 35 Вт/м³, а если окна помещения выходят на солнечную сторону – 40 Вт/м³.
Специфические параметры
Предела совершенству нет — как его не существует и для точности расчетов. Даже проделав все описанные выше манипуляции, вы получите результат с весомой погрешностью. Инженерный подбор климатического оборудования учитывает следующие дополнительные параметры:
Толщина стен и перекрытий, а также материал, из которого они изготовлены;
Этаж, на котором расположена комната;
Фактор наличия нестандартных окон – например, панорамного остекления или стеклянной крыши;
Типы окон, их энергоэффективность;
Инфильтрация внешнего воздуха — частота проветривания помещения.
Последний пункт, связанный с поступлением в помещение наружного воздуха, следует разобрать более детально.
Если вы откроете окно жарким летним днем, то, естественно, в комнату будет поступать нагретый солнцем воздух. В случае если кондиционер в этот момент будет работать, он получит дополнительную тепловую нагрузку — фактически, начнет работать на охлаждение улицы. Именно поэтому в инструкциях к сплит-системам вы найдете пункт про необходимость закрывать все окна перед началом работы устройства.
Довольно часто пользователи действуют так: сначала включают кондиционер, затем, выключив его, приоткрывают окно. В помещении снова становится жарко, и тогда они запускают режим вентиляции воздуха. Очевидно, что такой подход не может быть эффективным — помещение постоянно нагревается и охлаждается, и комфортная температура не может быть достигнута.
Еще один популярный пример — работа сплит-системы с открытым окном. Вы можете при этом чувствовать прохладу, однако, стоит только выключить кондиционер — в помещении снова станет жарко и душно. Таким образом оборудование будет эксплуатироваться практически безостановочно, что приведет к его перегреву и ускоренному износу.
Кроме того, неправильное использование кондиционера сводит на нет приведенные выше расчеты — приток наружного воздуха будет всегда разной температуры, поскольку зависит от многих факторов. Вот лишь примерные корректировки и рекомендации:
Параметр Q1 нужно будет увеличить на 20-25%. Это позволит частично компенсировать дополнительный приток тепла с улицы;
Энергопотребление кондиционера возрастет на 10-15%.
При установлении на улице экстремальной жары, окна в помещении все-таки лучше закрывать, чтобы прибор не работал на износ.
Присмотритесь к инверторным кондиционерам, которые в автоматическом режиме могут изменять свою мощность охлаждения в зависимости от фактических тепловых нагрузок.
Окончательный подбор кондиционера по мощности
В примере мы получили значение 2.32 кВт, но оно не является окончательным. Дело в том, что охладитель не должен работать постоянно на верхнем пределе возможностей. Чтобы рабочий режим был щадящим, а кондиционер прослужил долго, нужно иметь запас мощности. Как правило, его берут в количестве 15—20% от расчетного значения. В данном примере мощность кондиционера для помещения площадью в 20 квадратных метров и высотой потолков 2.7 м с одним человеком и компьютером составит:
2.32+ 15% = 2.67 кВт
Большинство производителей выпускают линейки своих агрегатов в соответствии с принятой в Соединенных Штатах градацией. В ее основе лежит так называемая Британская Единица Теплоты (BTU), чье соотношение с общепринятыми единицами следующее: 1000 BTU/ч = 293 Вт. Параметр, что указывается в технической документации к изделию, обозначает мощность в тысячах Британских единиц, а градация начинается с величины 7, то есть, 7000 BTU или 2.1 кВт. Ниже представлена таблица мощности кондиционеров, по которой можно понять соответствие градации в Британских единицах общепринятым, а также приблизительная квадратура помещений, куда подойдет каждый агрегат из линейки:
Примечание. Этой таблицей также можно пользоваться для укрупненного расчета мощности охладителя.
Осуществляя выбор сплит-системы или другого вида охлаждающего агрегата, следует знать, что в отличие от электроотопительных установок электрическая мощность, потребляемая кондиционером, не соответствует мощности холодильной. И правда, полученная в нашем примере цифра 2.67 кВт на 20 квадратов комнаты, может смутить домовладельца, не владеющего вопросом. Здесь следует разъяснить, что данные холодильные машины весьма эффективны благодаря процессу парообразования и конденсации рабочего тела, то есть, фреона. На самом деле кондиционер использует в 3 раза меньше электроэнергии, для нашего примера это всего лишь 2.67 / 3 = 0.89 кВт.
Вы можете задать закономерный вопрос: если кондиционер потребляет втрое меньше, чем производит, значит, КПД установки тогда составляет 300%? Ответ прост: как известно, КПД не может превышать 100%, а остальные 200% — это тепловая энергия, которую рабочее тело (фреон) отбирает у горячего воздуха комнаты при испарении. Изначально это энергия солнца, нагревшая наше здание и воздух в нем, а основная задача кондиционера – отобрать эту энергию у воздушной среды помещения.
Электроэнергия нужна лишь для вращения роторов электродвигателей компрессора и вентиляторов, вот почему потребляемая мощность кондиционера гораздо меньше его холодопроизводительности.
