CC BY
88УДК 62
Е.А. Буравлев
СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА -ИСТОРИЯ, ТИПЫ, ПРИНЦИП РАБОТЫ
Рассмотрена история развития кондиционирования воздуха и появления первых кондиционеров. Показан принцип работы кондиционера на примере простой сплит-системы.
Ключевые слова: история, кондиционирование, схема, сплит-система.
Без кондиционирования воздуха сегодня невозможно создание комфортных условий для труда и отдыха людей, немыслимо обеспечение технологических параметров промышленного производства.
Решающее влияние на индивидуальную работоспособность людей оказывает микроклимат промышленных, общественных и офисных помещений, особенно температурные параметры среды, относительная влажность, газовый состав и скорость движения потока воздуха. Кондиционирование воздуха дает возможность поддерживать параметры воздуха в помещениях в нормативном состоянии.
Показан принцип работы кондиционера на примере простой сплит-системы.
17 июля 2017 г. была отмечена очередная 115 годовщина кондиционеростроения. История кондиционирования воздуха берет свое начало из древних веков. Еще в доисторическое время человек, находясь в пещере, защищал себя от ветра, дождя, снега, солнца и других климатических невзгод. К примеру, жители древней Индии клали на подоконники своих жилищ травяные циновки, смоченные водой. Испаряясь, вода охлаждала поступающий в помещение воздух. В Персии (древнем Иране) существовал обычай накрывать палатки (шатры) мокрым войлоком. В древнеиндийском городе Мохенджо-Даро (2-3 тысячелетие до н.э.) строились высокие дома без окон, на плоских крышах которых находились устройства для улавливания ветра в виде шкафов с отверстиями, обращенных в сторону моря. Отверстия снабжались простейшими клапанами, которые открывались либо закрывались в зависимости от силы и направления ветра. Таким образом, воздух поступал в низкий чердак, где находились плоские чаны с водой. Здесь горячий сухой воздух, контактируя с поверхностью воды, охлаждался за счет испарительного эффекта, а затем по каналам в толстых стенах опускался в помещения. В низких постройках летом в качестве двери использовался каркас, обвитый индийской кокосовой пальмой - «тати» (трава, обладающая капиллярными свойствами). Над дверью устанавливалась посудина, которая медленно заполнялась водой за счет ее подъема по капиллярам «тати». По достижении определенного уровня заполнения посудина опрокидывалась, орошая водой дверь, и возвращалась в исходное вертикальное положение. Цикл многократно повторялся. Как в Персии, так и в Индии испарение применялось для получения льда. В земле, в неглубоких ямках, заполненных соломой (для изоляции), устанавливали плоские емкости с водой. Ночью за счет испарения и радиационного теплообмена (излучения к звездам) образовывался лед толщиной 4 см, даже при температуре 6 °С. В Японии, в императорской столице Киото зародился и используется прием испарительного охлаждения «ucЫmizu» - орошение водой крыш домов, тротуаров.
Слово «кондиционер» появилось еще в 1815 г., француз Жан Шабаннес получил британский патент на метод «кондиционирования воздуха и регулирования температуры в жилищах и других зданиях».
Одесский оперный театр, построенный в 1887 г., имел систему охлаждения воздуха, в которой использовался аккумулятор холода в виде шахты, углубленной в землю на 11 м, куда летом сбрасывали лед (вперемежку с соломой). Шахта соединялась с вентиляционным каналом, вымощенным базальтовыми камнями. Холодный воздух за счет естественной тяги поднимался в театральный зал, где распределялся под каждое сидение.
Первый кондиционер появился в 1902 г. в США, в Нью-Йорке, в помещении Бруклинской типографии. Летом при повышенных температуре и влажности воздуха, в условиях их постоянного изменения в процессе печатания не удавалось добиться качественной цветопередачи. Инженер компании Буффало Виллис Хэвилэнд Кэрриер разработал аппарат, с помощью которого стабильно обеспечивались охлажде-
© Буравлев Е.А., 2020.
Научный руководитель: Стариков Альберт Николаевич - кандидат технических наук, доцент, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
ние и осушение воздуха до уровня 55%. Кэрриер назвал свое устройство «аппарат для третирования воздуха» - форсуночная камера орошения. Кэрриеру удалось за счет изменения температуры воды, разбрызгиваемой в поток воздуха, влиять на насыщение воздуха влагой. Охлаждение и осушение воздуха в одном аппарате позволило контролировать температуру и относительную влажность воздуха в производственных помещениях. Поэтому первый кондиционер предназначался не для создания приятной прохлады работникам, а для борьбы с влажностью.
В 1902-1903 гг. он продолжил исследования в области осушения воздуха, занимался абсорбцией влаги с помощью водных растворов хлористого кальция.
Термин «кондиционирование воздуха» был предложен в 1906 г. инженером Стюардом Крамером, связавшим это понятие с получением кондиционного товара. Аппарат Кэрриера был использован им для создания высокого уровня влажности, необходимого по технологии текстильного производства. Крамер также показал универсальность контактного аппарата, каким является форсуночная камера.
Уже в 1908 г. потребовалась не только термо и влагообработка воздуха, но и его очистка от пыли и других аэрозольных примесей.
Возникло понятие системы кондиционирования воздуха (СКВ): последовательной технологической цепочки аппаратов обработки воздуха.
В 1921 г. был разработан холодильный турбокомпрессор. В 1929 г. была создана сплит-система как комнатный кондиционер. Так как в качестве хладагента в этой установке использовался аммиак, пары которого опасны для здоровья человека, компрессор и конденсатор были вынесены на улицу. И все же начиная с 1931 г., когда был изобретен безопасный для человеческого организма хладагент - фреон, конструкторы собрали все узлы и агрегаты в одном корпусе и назвали эту конструкцию оконным кондиционером.
Современная трактовка СКВ как системы, предназначенной для создания и автоматического поддержания требуемых параметров воздуха, существует с 1920 г. С этого времени в США, Японии и Германии появились первые автоматизированные установки кондиционирования воздуха на транспорте (морские суда, поезда), круглогодичные СКВ комфортного назначения (кинотеатры, отели, больницы и др.). Первый автомобильный кондиционер холодопроизводительностью 0,37 кВт был создан фирмой С&С КеМш1ог Со в 1930 г. и установлен на автомобиле марки «Кадиллак».
В 1939 г. созданы СКВ для небоскребов. И сегодня компания «Кэрриер» остается одной из ведущих компаний в области кондиционеростроения.
Уже в те годы существовали водоохлаждающие машины - чиллеры, внутренние блоки-фанкойлы напоминающие современный центральный кондиционер. Со временем в первых системах менялись размеры и используемые материалы. Автономные кондиционеры прошли путь от моноблочных конструкций (подоконных, оконных, внутристенных) до сплит-систем, работающих по раздельной схеме (split - разделять, разобщать).
С 1946 г. стали применяться теплонасосные схемы, появились кондиционеры с абсорбционными холодильными машинами на газовом обогреве, герметичные фреоновые компрессоры.
В 1958 г. компания «Daikin» разрабатывает первый тепловой насос - кондиционеры начинают не только охлаждать, но и нагревать воздух. С 1961 г. компания «Toshiba» начинает массовый выпуск сплит-систем - кондиционеров, разделенных на два блока.
В 1969 г. Daikin создает устройство, в котором один внешний блок обслуживает несколько внутренних, т.е. мультсплит-систему. Внутренние блоки, находящиеся внутри помещения, бывают различных типов: настенные, подпотолочные, напольные и встраиваемые в подвесной потолок - кассетные и канальные.
В 1981 г. компания «Toshiba» выпускает первую сплит-систему, способную плавно регулировать мощность, кондиционер инверторного типа. В 1998 г. инверторы заняли 95% японского рынка.
Сейчас наиболее популярный в мире тип кондиционера VRV - внутренний и внешний блоки, которые могут быть удалены друг от друга на 100 м, причем 50 из них - по вертикали.
Сегодня кондиционеростроение - одна из самых динамично развивающихся отраслей. Современные системы кондиционирования воздуха (СКВ) должны отвечать следующим требованиям:
- состоять из простого и надежного оборудования;
- обеспечивать при круглогодовой работе значительное (60%) сокращение энергопотребления;
- не причинять вреда окружающей среде.
Сегодня системы кондиционирования воздуха можно разделить на три основных группы по местоположению: центральные, зональные и местно-центральные - и на две по способу воздухораспределения: перемешивающие и вытесняющие.
Кондиционеры подразделяются на бытовые системы мощностью до 7 кВт для помещений до 80 м2, полупромышленные кондиционеры мощностью от 7 до 25 кВт для помещений от 100 м2 и выше, промыш-
ленные - мощностью более 25 кВт. К классу моноблочных бытовых кондиционеров относятся все оконные, мобильные, сплит-системы настенного и напольно-потолочного типа и т.д. К классу полупромышленных кондиционеров - сплит-системы, которые состоят из двух и более блоков (настенные, канальные, кассетные и т.д.).
Оконный кондиционер - мощность в интервале 1,5-6 кВт. Мобильный, шумный кондиционер.
Приточные кондиционеры - подача воздуха в одно или несколько помещений одновременно через систему воздуховодов.
Сплит-системы настенного типа - состоят из наружного и внутреннего блоков. Применяются в жилых и офисных помещениях площадью от 15 до 160 м2. Мощность их ограничена 2-7 кВт.
Мультисплит - системы настенного типа - от 2 до 4-5 внутренних блоков настенного типа мощностью 2-5 кВт.
Сплит-системы напольно-потолочного типа используются, где нет подшивного потолка, в помещениях с большой площадью остекления. Распределение воздуха равномерное - сразу по четырем направлениям. Мощность от 3 до 13 кВт.
Сплит-системы колонного типа, используют в помещениях большого объема, где нельзя располагать блоки на стенах или на потолке (театры, холлы гостиниц, рестораны и т.д.). Имеют большую холодо-производительность - от 6 до 18 кВт.
Сплит-системы кассетного типа устанавливаются при наличии подвесного потолка, где встраивается внутренний блок. Мощность 5-12 кВт.
Сплит-системы канального типа устанавливаются при наличии фальш-потолка. Имеют мощность 12-25 кВт, применяются для кондиционирования большого количества помещений или помещений большого объема (разные помещения и помещения с технологическим оборудованием). Мультизональные сплит-системы устанавливаются в помещениях площадью более 600 м2. Состоят из одного или нескольких наружных блоков и нескольких внутренних. Внутренние блоки могут быть любого типа, любой мощности. Обычно это кондиционеры большой мощности, обслуживающие целые здания и комплексы, холодопро-изводительностью до 1500 кВт.
Центральный кондиционер - это система очистки, предварительного нагрева или охлаждения наружного воздуха, который распределяется по помещениям с помощью системы воздуховодов и воздухораспределителей разных типов. Установочная мощность может быть от 7 до 175 кВт. Охлаждение воздуха в центральном кондиционере осуществляется чиллером (холодильной машиной). Она охлаждает или подогревает теплоноситель (тосол, вода) и подает его по системе трубопроводов в фанкойлы или другие теплообменники.
Фанкойлы - это теплообменники с вентиляторами. Они забирают тепло или холод от теплоносителя и нагревают или охлаждают помещение. Система чиллеров-фанкойлов имеет значительные преимущества при кондиционировании объектов с большим количеством помещений, так как к одному чиллеру можно присоединить большое количество фанкойлов. При этом можно задать не только общий тепловой режим всей системы, но и регулировать режим работы каждого фанкойла с пульта, смонтированного на нем, поддерживая при этом в каждом помещении необходимую температуру.
Руфтоп (крышный моноблок) - охлаждает или нагревает воздух, подает его внутрь здания по системе воздуховодов. Используется для охлаждения больших помещений. Крышные кондиционеры одновременно осуществляют вентиляцию и регулируют состояние воздуха. Устанавливаются на плоских крышах, мощность 8-140 кВт.
Прецизионные кондиционеры - точный контроль параметров воздуха и окружающей среды. Эти кондиционеры являются разновидностью колонных (шкафных) кондиционеров, используются в компьютерных залах, АТС, музеях, картинных галереях, других местах.
Кондиционер, работающий в режиме обогрева помещения, называют тепловым насосом. Нагрев воздуха происходит за счет тепла, забираемого у наружного воздуха (т.е. идет перекачка тепла с улицы в помещение).
Современные кондиционеры сплит-системы могут управляться с помощью мобильного телефона и через Интернет.
Компанией «Delonghi» разработано GSM-устройство «Tele Gate». Владелец этой системы уже может по дороге с работы домой задать нужный режим работы кондиционера, чтоб по приходу домой в квартире устанавливалась нужная температура.
Кроме основных режимов - охлаждения и обогрева - большинство современных кондиционеров имеют также режимы осушения, вентиляции и автоматический режим работы.
В основе работы любого кондиционера лежит свойство жидкостей поглощать тепло при испарении и выделять при конденсации. Рассмотрим схему работы простого кондиционера (рисунок) на примере сплит-системы.
Основные узлы кондиционера:
компрессор - сжимает фреон и поддерживает его движение по холодильному контуру (внешний блок); конденсатор - теплообменник, где фреон переходит из газообразной фазы в жидкую (конденсация) (внешний блок); испаритель - теплообменник, где фреон переходит из жидкой фазы в газообразную (испарение) (внутренний блок); ТРВ (терморегулирующий вентиль) - понижает давление фреона перед испарителем; вентиляторы - создают необходимый поток воздуха через теплообменники (испаритель и конденсатор).
Компрессор, конденсатор, ТРВ и испаритель соединены медными трубопроводами и образуют холодильный контур. Внутри которого циркулирует смесь фреона и небольшого количества компрессорного масла. Процесс работы кондиционера следующий. На компрессор из испарителя (внутреннего блока) поступает газообразный фреон под низким давлением в 3-5 атм и температурой 10-20 °C. Компрессор сжимает фреон до давления 15-25 атм, в результате фреон нагревается до 70-90 °C, затем поступает в конденсатор.
Благодаря интенсивному обдуву конденсатора фреон в теплообменнике остывает и переходит из газообразной фазы в жидкую (конденсируется) с выделением тепла. Следовательно, воздух, проходящий через конденсатор, нагревается. На выходе конденсатора фреон находится в жидком состоянии, под высоким давлением и имеет температуру на 10-20 °C выше температуры атмосферного воздуха. Из конденсатора теплый фреон поступает в терморегулирующий вентиль (ТРВ), который в простейшем случае представляет собой капилляр (длинную тонкую медную трубку, свитую в спираль). На выходе ТРВ давление и температура фреона существенно понижаются.
После ТРВ жидкий фреон с низким давлением поступает в теплообменник внутреннего блока (испаритель). В испарителе фреон переходит из жидкой фазы в газообразную. Данный процесс происходит с поглощением тепла, соответственно воздух, проходящий через испаритель, охлаждается. Далее газообразный фреон с низким давлением поступает на вход компрессора и весь цикл повторяется.
Этот процесс лежит в основе работы любого кондиционера и не зависит от его типа, модели и производителя.
Чтобы правильно подобрать кондиционер или СКВ необходимо учесть следующие факторы: архитектуру здания и планировку, климатические характеристики.
Определение мощности кондиционера зависит от основных параметров: площади и высоты помещения; от внутренних теплопоступлений: количества людей, постоянно находящихся в помещении, выполняющих работу; количества персональных компьютеров; мощности электрооборудования; освещенности помещения и др. Внешние теплопритоки: конструкция наружных ограждений, площадь остекления, направление по розе ветров строительных конструкций.
Все кондиционеры имеют основные технические характеристики: производительность - охлаждение, кВт; нагрев, кВт; питающее напряжение, В; звуковое давление, дБ, расход воздуха, м3 /ч,
Сегодня основными поставщиками на российском рынке являются корейские производители: LG, Samsung, японские: Chofu, Daikin, Fujitsu General, Hitachi, Mitsubishi Heavy, Mitsubishi Electric, Panasonic, Sanyo, Sharp, Toshiba.
Отечественный кондиционер EVGO производится в г. Электросталь с 1996 г., там же выпускают оконные кондиционеры и сплит-системы настенного типа. Домодедовский машиностроительный завод
«Кондиционер» (ОАО «ДоКон») выпускает климатическое оборудование для систем центрального кондиционирования воздуха.
Главные направления развития техники кондиционирования - последующее совершенствование систем управления, расширение функциональных возможностей кондиционера, применение эффективных озонобезопасных хладагентов и достижение высоких показателей экономичности и производительности.
Библиографический список
1.Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. М.: Физматлит, 2003. 350 с.
2.Ананьев В.А., Балуева Л.Н., Гальперин А.Д. и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. М.: Евроклимат, 2001. 416 с.
3.СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция, кондиционирование. М.: ГУП ЦПП, 2000.
4.http:/Mimatra.
5.Каталог компании LG [Электронный ресурс] // www.lg-aircon.ru. 2007. 99 с.
БУРАВЛЕВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ - магистрант, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
