По материалам компании Lennox (Украина)

Кондиционирование воздуха обычно осуществляется с помощью кондиционеров, работающих с конденсаторными блоками в режиме охлаждения, и тепловых насосов. Системы, работающие только на холод, и воздушные тепловые насосы представляют собой внешний конденсаторный блок, который работает в сочетании с удаленной камерой обработки воздуха или испарительным блоком, расположенным на выпускном отверстии печи. Также все оборудование может быть собрано в одном блоке. Кондиционирование можно осуществлять при помощи модульной установки водяного теплового насоса. Также на рынке представлены абсорбционные холодильные машины, однако они заняли небольшую долю рынка в сегменте бытового кондиционерного оборудования.

Системы бывают односкоростные, многоскоростные и с переменным потоком теплоносителя. Гибкое регулирование производительности в соответствии с требованиями изменяющихся нагрузок обеспечивает более высокий уровень комфорта и снижает эксплуатационные расходы. Существенным недостатком такого оборудования является его более высокая стоимость по сравнению со стоимостью односкоростной системы.

Показатели производительности
Производительность кондиционерного оборудования компрессионного цикла, работающего от электропривода, зависит от явной и скрытой холодопроизводительности, а также потребляемой мощности системы. Так как эти рабочие характеристики зависят от рабочих условий на испарителе и конденсаторе, в таблицах приведены соотношения входной и выходной мощности по отношению к широкому диапазону рабочих температур и показателей расхода.

Производительность кондиционеров с воздушным охлаждением
При использовании внешнего воздуха в качестве теплоприемника на явную и скрытую производительность и потребляемую мощность влияет изменение температуры наружного воздуха, расход на испарителе (вентилятор CFM), температура по мокрому и влажному термометру воздуха, поступающего в спираль теплообменника внутреннего блока.

Производительность кондиционеров с водяным охлаждением
Если в качестве теплоприемника используетсявода, на явную и скрытую теплопроизводительности и потребляемую мощность влияет ее температура, расход воздуха со стороны насоса (GPM), расход воздуха на вентиляторе (CFM), температура воздуха, поступающего в спираль теплообменника внутреннего блока по мокрому и сухому термометру. В табл. 3 представлены технические характеристики при температуре подающейся воды 10 °С. (Это выдержка из таблицы, демонстрирующей изменения производительности в температурном диапазоне от -1 до 43,3 °С).

Технические параметры центробежных вентиляторов
Технические характеристики вентилятора чрезвычайно важны, так как служат основой для расчета воздуховодов (магистралей). Обычно эти данные предоставляются в виде таблицы (табл. 4), однако они также могут быть изображены графически. Cледует отметить, что когда теплообменник и фильтр расположены в одном блоке с вентилятором, данные приводятся с учетом внутреннего сопротивления, создаваемого этими компонентами системы. Однако это не всегда является действительным.

Компоненты системы со стороны подачи воздуха
В случае, когда печь оснащается испарительным блоком, внешнее давление, создаваемое вентилятором, должно быть понижено на значение, равное падению давления на вспомогательном оборудовании. Эти данные обычно предоставляются производителем теплообменника в виде таблицы (табл. 5). Также существуют подобные таблицы, в которых сопоставляются данные по падению давления через другие вспомогательные устройства, такие, например, как электронный фильтр.

Выбор оборудования и ограничения по мощности
Производительность бытовых систем кондиционирования должна соответствовать условиям расчетных нагрузок, а также рабочим условиям, в которых будет работать система. Ниже приведен ряд условий, которым должна удовлетворять проектируемая система с воздушным и водяным охлаждением:

• Суммарная холодопроизводительность системы, работающей только на холод (вода или воздух), не должна превышать общую нагрузку по охлаждению более чем на 15%
• Если водяной или воздушный тепловой насос устанавливается в условиях жаркого и мягкого климата, суммарная явная и скрытая холодопроизводительность не должна превышать суммарную нагрузку по охлаждению более чем на 15%
• Если водяной или воздушный тепловой насос устанавливается в условиях холодного климата (где главным аргументом является стоимость тепла), то допускается превышение суммарной явной и скрытой холодопроизводительности общей нагрузки по охлаждению на 25%
• Минимальное значение перепада температуры в отопительный сезон (минимальная температура наружного воздуха, соответствующая удовлетворению тепловых потребностей помещения) в отопительный сезон определяется из расчета превышения холодопроизводительности на 25 %. Превышение этого предела для удовлетворения произвольного (условного, случайного) значения равновесной температуры не допускается. (Максимальное допустимое значение перепада температуры обычно связано с желанием снизить нагрузку на систему, работающую зимой)
• Расчетное значение рабочей температуры конденсатора с воздушным охлаждением будет зависеть от расчетного значения внешней температуры воздуха, а также от места расположения оборудования. (Температура воздуха под крышей или на нагретом солнцем чердаке обычно выше температуры окружающего воздуха)
• Расчетное значение температуры конденсатора с водяным охлаждением будет зависеть от температуры подземных вод (открытая система) или от условий местного климата, состава почвы и особенностей проектировки трубных контуров (замкнутая система)
• Параметры воздуха, поступающего в испаритель, будут зависеть от температуры и влажности воздуха кондиционируемого пространства, объема подаваемого внешнего воздуха для вентиляции (подводимого на выход теплообменника).

Если обратные воздуховоды устанавливаются вне кондиционируемого пространства, на параметры подаваемого воздуха также влияют утечки (фреона) с обратной стороны теплообменника, а также потери при теплопередаче

Показатели энергоэффективности
Сезонная энергоэффективность (SEER) определяет производительность систем с воздушным охлаждением конденсатора, энергоэффективность (EER) определяет эффективность тепловых насосов с теплоносителем вода. Эти данные определяют эффективность подобного типа оборудования по принципу сравнения, однако они не предназначены для расчета энергопотребления данного конкретного здания.

SEER
Величина SEER — средний сезонный показатель энергоэффективности выражается в единицах теплопроизводительности в час (BTUH) на 1 Вт потребляемой электрической мощности. При расчете показателя SEER учитывается потребляемая мощность конденсатора, центробежного вентилятора внутреннего блока, подогревателя картера компрессора и контролирующих устройств. Также принимаются во внимание потери, связанные с циклом запуска — остановки системы. Однако коэффициент SEER не применим к специфическим приложениям, так как в основе расчетов лежат предположения об отношениях расчетной к установленной холодопроизводительности, распределении холодочасов (BIN COOLING Hours), влиянии внутренних нагрузок и уровня солнцепоглощения, а также параметров воздуха, поступающего во внутренний теплообменник.

• Публикуемые показатели SEER основаны на предположении, что установленная холодопроизводительность равна расчетным нагрузкам. В приложениях, где не соблюдается такое соотношение нагрузки к производительности, в значение SEER следует вносить поправки
• Погодные модели, представленные в таблице распределения холодочасов, влияют на значение SEER. Согласно Департаменту энергетики, область отклонения должна находиться в пределах 10 % публикуемого значения
• Публикуемые значения SEER получены в результате построения модели линейной кривой нагрузки, что проецируется из точки расчетной нагрузки к нерасчетным условиям нагрузки 18,3 °С. Эту попытку компенсации влияния внутренних нагрузок и уровня солнцепоглащения не следует применять к графику внутренних и солнечных нагрузок данного конкретного дома. (Независимо от деятельности людей, солнечная нагрузка зависит от времени года, оконного затемнения, облачности и географической широты)
• Публикуемые SEER значения также основаны на результатах тестов, проводимых с мокрой спиралью теплообменника внутреннего блока при температуре по сухому термометру, равной 26, 60 °С, и по влажному — 19,4 °C на входе. Так как производительность оборудования (хорошо определяется по этим параметрам) в значительной степени чувствительна к этим параметрам и такие рабочие условия не являются типичными, в специфических приложениях следует вносить поправки в условия на входе в теплообменник. (Параметры подающегося воздуха зависят от особенностей местного климата, плотности и герметичности ограждающей конструкции здания, объема внешнего воздуха, используемого для вентиляции, уровня влагогенерации внутри помещения, избыточной холодопроизводительности, а также места расположения, изоляции и герметичности обратной магистрали )

EER
Значения EER могут применяться как к системам с источником теплоты воздух, так и вода, однако чаще всего их используют для определения эффективности последних. Этот показатель определяет эффективность системы в условиях постоянной работы и полной нагрузки и выражается в единицах теплоты в час (BTUH) на 1 Вт мощности. Так как здесь не принимается во внимание работа оборудования в условиях частичной нагрузки, величина EER не демонстрирует сезонную эффективность единицы оборудования. В табл. 1 (см. стр. 56, № 5/2005) представлены значения EER, для температуры входящей воды 10 и 21 °C.

Тепловой насос с теплообенником воз- дух-воздух
Тепловые насосы с теплообменником воздух-воздух являются компрессионными системами с электроприводом. Они, как правило, представляют собой сплит-системы, однако также бывают моноблочными. При проектировке сплит-системы тепловой насос может служить единственным источником теплоты или же работать в паре с печью, работающей на природном топливе. В первом случае оборудование холодильного цикла обычно оснащается дополнительным электрическим калорифером, который активируется второй ступенью внутреннего термостата. Если тепловой насос работает в паре с печью, печь будет обеспечивать «вторичное тепло» (тепло второй ступени), что исключает необходимость использования электрического калорифера. (Также использование электрических калориферов является необязательным, если оборудование холодильного цикла способно удовлетворить расчетным нагрузкам по отоплению. Это возможно в мягких климатических условиях).

Большинство воздушных тепловых насосов являются односкоростными системами, однако системы с регулируемой скоростью начинают завоевывать популярность вследствие возможности регулирования производительности для удовлетворения сезонных изменений нагрузок. К преимуществу таких систем можно отнести: создание более комфортных условий в помещении, меньше сопротивляемого тепла, снижение эксплуатационных расходов. Главным недостатком является более высокая инсталляционная стоимость по сравнению с односкоростными системами.

Технические параметры — «холод»
Когда тепловой насос с теплообменником воздух-воздух работает в режиме холода, его производительность зависит от явной и скрытой холодопроизводительности, а также от уровня потребляемой мощности. В этом режиме работы воздушный тепловой насос работает по принципу системы, работающей только на холод (табл. 2 (см. стр. 57, № 5/2005).

Технические параметры — «тепло»
При непрерывной работе теплового насоса с теплообменником воздух-воздух непрерывно в режиме его производительность будет изменяться в соответствии с изменением внешней температуры воздуха. С повышением внешней температуры теплопроизводительность возрастает (рис. 1).

На теплопроизводительность воздушного теплового насоса также влияет цикл оттаивания, в результате чего несколько минут в час система работает в режиме холод. Это значит, что теплопроизводительность системы, работающей в таком режиме, будет ниже, чем у систем, работающих непрерывно в одном режиме. Результат такого поведения в работе системы показан углублением на рабочей кривой системы (рис. 2), что обычно называют «коленом оттаивания».

Обычно производители предоставляют технические данные с учетом влияния цикла оттаивания, однако это не всегда так. Изучая технические характеристики оборудования, всегда следует обращать внимание на наличие данных, подтверждающих, что данные по теплопроизводительности представлены с учетом потерь вследствие цикла оттаивания.

Технические параметры со стороны подачи воздуха
Как уже было отмечено ранее, технические характеристики вентилятора необходимы для расчета магистралей (табл. 4). Также производитель обязан предоставить тестовые данные по падению давления для любого стандартного или вспомогательного оборудования.

Цикл оттаивания
Во время работы оборудования в режиме отопления спираль теплообменника наружного блока холоднее, чем воздух в помещении. В зависимости от уровня влажности внешнего воздуха температура спирали теплообменника наружного блока может быть ниже точки росы наружного воздуха. При таких условиях на спирали «внешнего» теплообменника будет аккумулироваться влага в виде инея или даже льда (когда температура внешнего воздуха ниже 7 °С). Эти отложения должны быть удалены, так как это снижает производительность оборудования. Процесс удаления обычно осуществляется путем перехода работы теплового насоса на несколько минут в режим охлаждения. В таком режиме горячий газообразный хладагент из компрессора поступает в спираль теплообменника наружного блока и осуществляет оттаивание льда.

Снижение эффективности вследствие оттаивания
Данные по снижению эффективности в результате цикла оттаивания, предоставляемые производителем оборудования, соответствуют данным, полученным по результатам тестов, проводимым институтом ARI. Во время тестирования в тестируемом помещении создавались условия мягкого мороза(замерзания). В действительности, уровень снижения эффективности в результате оттаивания может несколько превышать или, наоборот, быть ниже тестовых данных. Это зависит от местных климатических условий и способа регулировки режима оттаивания. В этом случае снижение эффективности в условиях влажной зимней погоды или при краткосрочном цикле оттаивание превышает тестовое значение. И наоборот, в условиях сухого климата снижение эффективности вследствие цикла оттаивания незначительно. На рис. 3 показана зависимость снижения эффективности вследствие цикла оттаивания от температуры и влажности внешнего воздуха.

Ограничения по мощности
При работе воздушного теплового насоса на охлаждение и обогрев подбор мощности оборудования осуществляется по нагрузке по охлаждению. Как уже объяснялось ранее, избыточная холодопроизводительность не должна превышать 25-15 % общей (явная плюс скрытая) нагрузки по охлаждению, в зависимости от особенностей местного климата. Это обосновано потребностью контролировать уровень влажности в помещении в рабочих условиях частичной нагрузки. Однако в ус- ловиях сухого климата контроль влажности не является проблемой. В этом случае, избыточная холодопроизводительность может превышать 25 %, конечно, если только это является экономически оправдано.

«Точка равновесия»
Термином «точка равновесия» называют такую температуру внешнего воздуха, которая уравновешивает тепловую нагрузку и теплопроизводительность теплового насоса во время компрессионного цикла. Процесс балансировки возможен вследствие полностью противоположной реакции ограждающей конструкции здания и теплового насоса на изменение температуры внешнего воздуха (рис. 4).

В действительности, существует множество возможных балансировочных точек в определенной установке. На рис. 4 представлен типичный случай, с которым приходится часто сталкиваться проектировщикам. При построении данного графика использовали стандартную методологию, учитывающую влияние уровня солнцепоглощения здания и внутренних нагрузок (следует отметить, что точка фазового изменения (переменная точка) 18,3 °С лежит на кривой, определяющей нагрузку ограждающей конструкции здания). Также предполагалось, что установленная производительность будет отображать расчетную, заявляемуюпроизводителем. На практике это случается редко, так как уровень солнцепоглощения и внутренние нагрузки могут превышать или быть меньше предполагаемых, а также благодаря таким факторам, которые не принимались во внимание, как потенциал обмерзания, грязный фильтр или некорректная заправка хладагента, что обеспечивает снижение тепловой мощности.

В любом случае расчетное значение балансировочной точки является побочным результатом расчетов мощности теплового насоса по величине нагрузки по охлаждению. Это значит, что контроль расчетной точки можно осуществлять в диапазоне дополнительной мощности 0- 25 %. Другими словами, при небольшой нагрузке по охлаждению, в сравнении с нагрузкой по отоплению, балансная точка лежит в относительно высоких пределах от 1 до 4 °С, что выше. Если это недопустимо, следует улучшить сезонную тепловую эффективность ограждающей конструкции здания (изоляция стен подвала) или тепловое оборудование на природном топливе, или же электрическое кондиционерное оборудование следует заменить на тепловой насос.

Подбор мощности электрического калорифера
Выходная производительность электрического калорифера должна соответствовать разнице между расчетной тепловой нагрузкой и расчетной теплопроизводительностью теплового насоса. Так как график «балансировочной точки» показывает данное взаимоотношение, его можно использовать для определения количества дополнительного тепла, необходимого для конкретного приложения (рис. 5).

Избыток дополнительной тепловой мощности не рекомендуется, так как это значительно повышает эксплуатационные расходы и снижает уровень комфортности в помещении. Также следует отметить, что если, согласно графику балансировочной точки, требуется значительное количество дополнительного тепла, повышенный уровень комфортности достигается путем ступенчатого регулирования (включения) электрокалорифера.

Критическое тепло
Критическое тепло — это суммарное количество тепловой мощности, что может генерировать электроспираль при поломке компрессора. Это тепло обеспе чивает дополнительная нагревательная спираль или резервные спирали, включение которых происходит вручную. Обычно суммарная производительность обоих комплектов спиралей равна или немного превышает значение расчетной тепловой нагрузки. На рис. 6 представлено соотношение критической теплоты к дополнительной.

Вспомогательное тепло
Термин «вспомогательное тепло» часто неверно используют для обозначения электрических калориферов, которые включаются в работу второй ступенью комнатного термостата. Точнее, этот термин обозначает суммарную теплопроизводительность электрического калорифера в блоке теплового насоса. Как уже было отмечено ранее, некоторое количество вспомогательного тепла используется для поддержки работы оборудования холодильного цикла в холодную погоду. В этом случае этот тепловой резерв компенсирует недостаток тепла вследствие нарушений в работе оборудования.

Показатель эффективности
Эффективность работы воздушных тепловых насосов измеряется двумя стандартными величинами. Как уже говорилось ранее, эффективность системы, работающей на холод, измеряется величиной SEER. При работе в режиме отопления относительную эффективность оборудования определяет величина HSPF — heating season performance factor. Оба показателя предоставляются производителями и могут быть использованы для сравнения сезонной эффективности подобного типа оборудования, однако их не следует использовать для определения уровня энергопотребления данного конкретного приложения.

HPSF
Величина HPSF — средний сезонный показатель эффективности, выражается в единицах теплоты в час (BTUH) на 1 Вт потребляемой электрической мощности. При расчетах показателя HPSH учитывались такие показатели, как уровень энергопотребления конденсатора, дополнительных спиралей теплообменника, центробежного вентилятора внутреннего блока, подогревателя картера компрессора, а также систем контроля. Также принимались во внимание потери в результате цикличности работы системы, а также режима оттайки. Однако этот показатель не следует применять к специфическим приложениям, так как расчеты основывались на ряде допущений относительно отношения расчетной тепловой нагрузки к установленной теплопроизводтельности оборудования холодильного цикла, распределения (пиковых) тепловых часов, влияния внутренних нагрузок и уровня солнцепоглащения здания, потерь в результате режима оттайки, а также температуры воздуха на входе в спираль теплообменника внутреннего блока.

• Публикуемые дан ные HPSF основаны на предположении, что расчетная тепловая нагрузка равна теплопроизводительности теплового насоса при температуре внешнего воздуха 8,3 °С (рис. 7). На графике видно, что для оптимизации показателя HPSF требуется минимальное количество дополнительного тепла. (Однако такое соотношение нагрузка-производительность неприемлемо для систем, работающих в условиях холодного климата).

• На рис. 8 показана точка температурного равновесия, определяющая термическую эффективность дома, расположенного в 4-й климатической зоне (дом площадью 609 м кв. кониционируемого пространства, окна с двойным остекленением, стены R-19, Потолок R-30, изолированные бетонные полы, достаточная герметизация здания и производительность теплового насоса соответствует нагрузке по охлаждению). Сравнивая графики 8 и 7, очевидно, что для дома, расположенного в 4-й климатической зоне, потребуется больше дополнительного тепла (сравниваем треугольник A, B, C с треугольником A, D, E). Следовательно, показатель HSPF графика 8 будет меньше, чем показатель графика 7.

• Публикуемые HSPF данные основаны на климатической модели, имитирующей климат в Питсбурге, Пенсильвания. Однако для других климатических условий потребуются другие данные HPSF. Поэтому для соответствия разным климатическим зонам разработали и другие стандарты, однако обычно публикуется только одно значение — HPSF (Питсбург).
• Публикуемые значения SEER получены в результате построения модели линейной кривой нагрузки, что проецируется из точки расчетной тепловой нагрузки к нерасчетным условиям нагрузки в 18,3 °С. Эту попытку компенсации влияния внутренних нагрузок и уровня солнцепоглощения не следует применять к графику внутренних и солнечных нагрузок данного конкретного дома. (Независимо от деятельности людей, солнечная нагрузка зависит от времени года, оконного затемнения, облачности и географической широты.)
• Как уже было отмечено ранее, сертификационные данные относительно потерь при оттаивании оборудования получены при тестировании системы в условиях небольшого минуса. Это значит, что данные HPSF требуют некоторой корректировки, если рабочая отрицательная температура значительно превышает или меньше расчетного значения.
• Если уровень сопротивляемого тепла, получаемого во время цикла оттаивания, превышает количество, необходимое для нейтрализации эффекта охлаждения, теплопоступлениe здания будет равным COP 0,1. Это значит, что при восстановлении режима отопления не потребуется эквивалентное количество тепла. Это незначительно влияет на величину HPSF, так как тепло могло доставляться тепловым насосом и при более высоком COP.

На производительность воздушного теплового насоса также в незначительной степени влияет температура воздуха, поступающего в теплообменник внутреннего блока. Температура подающегося воздуха зависит от климатических условий, количества внешнего воздуха, используемого для вентиляции, изоляции и герметичности обратной магистрали.

(Продолжение статьи в следующем номере)