К вопросу об "адаптации" кондиционеров к условиям Российского климата.

К.т.н., доцент, чл. корр. МАХ В.В.Шишов, А.В.Ревков.
(см. журнал "Холодильная техника" №6, 1998 г.)

В связи с особенностями развития рыночных отношений Россия стала полигоном для испытания самых разнообразных холодильных и климатических систем. Здесь можно встретить как наиболее дорогие и современные системы, так и дешёвые модели оборудования, произведённые в странах третьего мира. Причём большинство установок оказывается неадаптированным к условиям сурового климата, существуют так же проблемы, связанные с перепадами напряжения в сети питания.

По данным некоторых фирм – поставщиков климатического оборудования в Москве упал спрос на "зональные" кондиционеры (сплит-системы и оконные кондиционеры). Это связано с частичным насыщением рынка и с климатическими особенностями столицы. В летний период в городе средняя температура воздуха равна приблизительно + 22°С, что соответствует оптимальным комфортным условиям. На широте Москвы около 30 дней в году действительно необходимо охлаждать помещения, например, частные квартиры. Применение "зональных" кондиционеров для обеспечения комфортных условий климата в жилых помещениях экономически более выгодно по сравнению с климатическими установками других типов. В условиях больших городов, где много зданий современной застройки ("многоэтажек" панельного типа), это особенно актуально. Дома, построенные из высокопрочных железобетонных плит имеют небольшую толщину стен. Летом, в течение дня, они полностью прогреваются, а ночью отдают накопленную теплоту. Температура в квартирах на солнечной стороне может достигать +35°С, поэтому установка малогабаритных простых в эксплуатации "зональных" кондиционеров, хотя бы в одной комнате квартиры, позволяет легче переносить жару.

В крупных городах России применяется центральное отопление, но в период межсезонья, когда наступают заморозки, а центральное отопление ещё не включено, возникает дискомфорт. Поэтому наиболее широко распространяются модели кондиционеров, способные работать и в режиме тепловых насосов (модели с "реверсивным" режимом работы). Таким образом, устанавливая в квартирах с особенно "неблагоприятным" климатом такие системы, можно решить сразу две проблемы - охлаждать помещение в жаркие дни и обогревать его в период межсезонья. Причём, обогревая помещение тепловым насосом в переходный период, можно, как известно, значительно сэкономить электроэнергию.

В настоящее время "крупными" заказчиками осознано, что в больших офисах, банках и помещениях, где имеются значительные тепловыделения и существуют высокие требования к климатическим параметрам воздуха, использование сплит и оконных кондиционеров, как основной системы кондиционирования - нерационально. Как правило, в таких сооружениях устанавливают центральные кондиционеры, где это позволяет здание, либо мощные мультизональные системы типа "VRV" (Variable Refrigerant Volume - система с переменным расходом хладагента, т.е. с возможностью плавного регулирования холодопроизводительности).

Для московской зимы характерны сильные морозы. Среднесуточная температура зимнего периода составляет -15°С, что лежит за нижней границей рабочей температуры многих сплит-систем. Зимой отпадает надобность использовать "зональные" кондиционеры. Охлаждение и обогрев помещений, если это необходимо, можно осуществлять иными, более экономичными способами. Использование зимой для этих целей зональных кондиционеров приводит к повышенному их износу и уменьшению ресурса работы, либо к поломке установки, кроме того реверсивный клапан (4-х ходовой вентиль) плохо переключается. Эффективность тепловых насосов с уменьшением температуры источника тепла (окружающего воздуха) значительно снижается. Приведенная зависимость (рис.1) рассчитана для теплового насоса с герметичным поршневым компрессором, при постоянной температуре конденсации +45°С.

Рис.1. Зависимость теплопроизводительности Q_т и коэффициента преобразования теплоты µ от температур кипения t_о и окружающей среды t_окр.ср.. Кондиционер работает в режиме обогрева.

Тепловой насос представляет собой ту же холодильную машину, следовательно, его характеристики можно изучать, анализируя работу холодильной машины. Изменение производительности тепловых насосов с различными источниками теплоты происходит в одном направлении, но тепловой насос с воздушным источником теплоты (кондиционер с "реверсивным" режимом работы ) имеет более широкий диапазон рабочих температур. На широте Москвы температура воздуха колеблется от -30°С до +30°С. Давление всасывания компрессора меняется в широких пределах, давление нагнетания почти не изменяется. Производительность насоса снижается при понижении температуры (давления) кипения, так как коэффициент подачи компрессора, плотность паров хладагента и удельная холодопроизводительность уменьшаются.

Тепловой коэффициент µ=(1+ε). Эффективной работу теплового насоса принято считать , если тепловой коэффициент µ>=4 . Из рисунка видно, что при температуре окружающего воздуха ниже -12°С использование теплового насоса проблематично. При понижении температуры, мощность, потребляемая компрессором уменьшается. Из этого факта не следует, что отопление тепловым насосом, в холодную погоду обходится дешевле. При более низкой температуре окружающего воздуха, тепловой насос имеет меньшую теплопроизводительность, кроме того, в холодное время года сильнее изнашивается компрессор.

Рис.2. Механизм передачи теплоты для различных условий работы холодильной машины.

Q_o - теплота , отведённая от объекта за счёт кипения хладагента в испарителе;
L - энергия , затраченная компрессором на сжатие хладагента;
t_o - температура кипения хладагента в испарителе;
t_k, P_k - температура и давление конденсации;
t_{охл. об.}, t_{обогр. об.}- температура охлаждаемого и обогреваемого объекта (температура воздуха в помешении).
t_окр.ср.- температура окружающей среды.

Анализ "неординарной" работы кондиционера (температура охлаждаемого объекта выше температуры окружающей среды) показывает её нецелесообразность (рис.2). Круглогодичное охлаждение помещений сплитами вызвано ограниченностью ассортимента оборудования на складах фирм и горячим желанием решить все проблемы охлаждения "негодными средствами".

Охлаждая помещение при температуре наружного воздуха ниже +10°С, можно отказаться от искусственных методов получения холода, используя естественный переход теплоты с высокого температурного уровня на более низкий. Этот механизм передачи теплоты и его преимущества по сравнению с искусственными методами охлаждения хорошо виден на рисунке. Реализовать его на практике можно разными способами, например, использованием приточной вентиляции (воздухообменные блоки): температура в помещении регулируется изменением количества подаваемого воздуха. В последнее время широкое распространение получили холодильные системы, использующие в зимний период контур с промежуточным теплоносителем (этиленгликоль). Перенос теплоты осуществляется жидкостью, охлаждаемой в теплообменнике, расположенном на улице. Это охлаждение часто называют "свободным", или "экономичным". Энергия расходуется только на привод насосов и вентиляторов, при этом увеличивается долговечность и надёжность всей установки.

Интересно разобраться: "Как же работает кондиционер в "неординарном" режиме?" Расход хладагента через дроссельное устройство можно выразить известной зависимостью :

, где

F- площадь сечения отверстия; χ- коэффициент истечения; ρ - плотность хладагента.
Таким образом, расход через дроссельное устройство (капиллярную трубку) зависит от двух переменных величин: перепада давления и плотности хладагента.

Зимой, с понижением температуры окружающей среды понижается давление конденсации (работа в режиме охлаждения). Это приводит к уменьшению перепада давления на расширительном устройстве, следовательно, подается меньше хладагента в испаритель.

Рис.3. Работа холодильной машины при пониженной температуре окружающего воздуха (установившийся режим).

Дальнейшее уменьшение количества холодильного агента в испарителе приводит к его накоплению в конденсаторе, уменьшению эффективной внутренней теплообменной поверхности и некоторому повышению давления конденсации. Вместе с тем падает и давление на линии всасывания (рис.3). Таким образом перепад давлений на капилляре возрастает. Кроме того, переохлаждение дросселируемой жидкости приводит к возрастанию расхода через капиллярную трубку из-за увеличения плотности. Происходит "саморегулирование" системы. Но установка становится малоэффективной, так как при понижении температуры наружного воздуха испаритель заполняется не полностью, что влечёт за собой уменьшение холодопроизводительности. Немаловажно и то, что при сильных морозах давление всасывания может быть ниже расчётного, а , как известно , такие режимы работы нежелательны для холодильных установок, т.к. ухудшается возврат масла в компрессор.

При работе кондиционера в этом режиме следует говорить не о температуре конденсации, а о давлении конденсации P_К, так как его величина определяется гидравлическим сопротивлением дроссельного устройства и трубопроводов, а не температурой окружающей среды.

При остановке кондиционера хладагент из испарителя, через капиллярную трубку перетекает обратно в холодный конденсатор, в котором охлаждается.

Рис.4. Холодильная машина с капиллярной трубкой.

Из выше сказанного следует, что система с капиллярной трубкой (рис.4) работает при низких температурах окружающей среды малоэффективно.

Важен практический аспект неудовлетворительной работы испарителя зимой. Некоторые механики в зимний период дозаправляют кондиционер по неопытности, что может привести к гидравлическому удару и поломке машины при потеплении.

В системах с терморегулирующим вентилем (ТРВ), при незначительном падении температуры окружающей среды давление кипения поддерживается постоянным за счет увеличения проходного сечения ТРВ. При достижении определенного значения температуры окружающей среды (примерно 0° для большинства холодильных машин), ТРВ открывается полностью и дальнейшее уменьшение температуры окружающей среды, а, следовательно, и давления конденсации, приводит к падению давления кипения, так же как при работе холодильной машины с капиллярной трубкой. Если в этой системе имеется жидкостной (линейный) ресивер, то "подтапливание" конденсатора не происходит и установка выключается датчиком реле низкого давления.

Существует несколько способов поддержания давления конденсации парокомпрессионных холодильных машин с воздушным охлаждением конденсатора при пониженной температуре охлаждающего воздуха (это важно для работы холодильных установок). Например путем подтопления части теплообменной поверхности конденсатора жидким холодильным агентом. При этом уменьшается эффективная площадь теплообменной поверхности со стороны хладагента и повышается давление конденсации. В последнее время появились двигатели с инверторным управлением, позволяющие плавно менять скорость вращения вентилятора конденсатора, соответственно регулируя расход охлаждающего воздуха и давление конденсации.

Рис.5. Холодильная машина с регулированием давления в конденсаторе методом введения неконденсирующегося газа.

Предлагаемый в этой статье способ поддержания давления конденсации (рис.5) состоит в том, что в контур парокомпрессионной холодильной машины, при понижении давления в конденсаторе, вводится определенное количество неконденсирующегося газа. Накапливаясь в конденсаторе, он повышает давление в нем на величину собственного парциального давления, а так же за счёт того, что уменьшается эффективная тепло обменная поверхность. При этом увеличивается перепад давлений на расширительном устройстве до величины достаточной для нормального питания испарителя хладагентом.

Холодильная машина включает в себя: компрессор, конденсатор, расширительное устройство, испаритель, емкость неконденсирующегося газа, запорный вентиль СВ1 (соленоидный вентиль), линию отвода неконденсирующегося газа с запорным вентилем СВ3, линию подачи неконденсирующегося газа с запорным вентилем СВ4, линию охлаждения отводимой смеси с запорным вентилем СВ2, линию слива хладагента из емкости, устройство управления, реагирующее на изменение давления в конденсаторе.

Холодильная машина работает по классическому циклу. В установившемся режиме давление в конденсаторе, измеряемое датчиком давления управляющего устройства, соответствует заданному. При значительном понижении температуры воздуха, охлаждающего конденсатор, падает давление конденсации и уменьшается перепад давлений на расширительном устройстве, вследствие чего уменьшается расход холодильного агента и холодопроизводительность машины. В этом случае по сигналу датчика давления управляющего устройства порция неконденсирующегося газа из емкости, через СВ4 подается в контур циркуляции хладагента на сторону низкого давления. Неконденсирующийся газ сжимается в компрессоре вместе с хладагентом и попадает в конденсатор, где накапливается. При этом давление в конденсаторе повышается. Увеличивается перепад давлений между сторонами всасывания и нагнетания. Вследствие этого увеличивается расход холодильного агента через расширительное устройство, обеспечивая необходимую холодопроизводительность. При дальнейшем понижении температуры воздуха, охлаждающего конденсатор, в контур циркуляции холодильного агента подается следующая порция неконденсирующегося газа.

При повышении температуры воздуха, охлаждающего конденсатор, необходимо вернуть неконденсирующийся газ обратно в емкость.

По сигналу датчика давления управляющего устройства закрывается вентиль СВ1 и открывается вентиль СВ2, при этом хладагент, после расширительного устройства, проходит через емкость неконденсирующегося газа, охлаждая её. Кратковременно открывается вентиль СВ3 и перепускает порцию смеси неконденсирующегося газа и парообразного хладагента в емкость. При этом пары хладагента, попавшие в ёмкость из конденсатора, вместе с неконденсирующимся газом, ожижаются. Через клапан хладагент из емкости неконденсирующегося газа возвращается в контур холодильной машины. Вентиль СВ2 закрывается и открывается вентиль СВ1, машина работает в обычном режиме. При дальнейшем повышении температуры воздуха, охлаждающего конденсатор, процедура повторяется.

В теплый период года, когда температура воздуха, охлаждающего конденсатор достаточно высока, для нормальной работы машины, весь неконденсирующийся газ отводится в ёмкость, а управляющее устройство отключается.

Предлагаемый способ регулирования может быть применен вместе с устройством, отключающим, частично или полностью, принудительный обдув конденсатора охлаждающим воздухом.

При пониженных температурах затруднён запуск компрессора. Масло становится слишком вязким и пуск компрессора происходит "в сухую". Кроме того, при низкой температуре растворимость фреона в масле сильно возрастает, поэтому в картере накапливается пересыщенная маслофреоновая смесь. При пуске машины происходит вскипание хладагента в картере, масло становится менее вязким - возможен выход из строя компрессора.

Рис. 6. Электрический обогрев картера компрессора.

Все сплит-системы, рассчитанные на использование в России необходимо снабжать устройствами обогрева картера, которые будут включаться автоматически перед пуском компрессора и при работе с отрицательной температурой окружающего воздуха. Для вновь разрабатываемых сплит-систем, это может быть ТЭН, встраиваемый в картер двигателя, (рис.6). Для уже существующих машин можно использовать термобандаж, одеваемый на корпус компрессора.

Рис.7. Обогрев дренажной трубки .

Другой важной проблемой является замерзание дренажной трубки. Даже при незначительной длине дренажа, при температуре ниже 0°С возможно замерзание отводимого конденсата, вследствие чего сконденсированная влага, при работе сплит-системы зимой "на холод", будет вытекать внутрь помещения .

Решить эту проблему можно, обогревая дренаж нихромовой нитью (рис.7), по которой течёт ток небольшого напряжения 9..12 В .Нихромовую нить диаметром 0.1...0.15 мм пропускают в пластмассовую трубку, которая служит изолятором, и размещают в дренажной трубе. Понижающий трансформатор устанавливают во внешнем блоке и запитывают от клеммы компрессора, чтобы обогрев трубки включался при пуске машины. Температура нити не должна превышать +80°С .

Работоспособность в суровых климатических условиях очень важна при выборе холодильных машин (в том числе кондиционеров), выход которых из строя может порою привести к материальным потерям, превосходящим стоимость оборудования (охлаждение вычислительных центров и т.д.).

Применение местных обогревов картеров компрессоров, дренажных трубок, установка компрессоров во внутренних блоках, размещение внутренних блоков в технических помещениях не могут решить всех проблем.

Многие задачи можно решить с помощью тепло - и тепло- массообменных вентиляционных блоков.

Современный уровень автоматизации, широкое применение пластинчатых теплообменников, позволяющих сократить разницу температур между хладагентом и промежуточным теплоносителем до 3-4 К, использование в холодную погоду "экономного охлаждения" позволяют, с полной уверенностью, сказать о "ренесансе" систем "рассольного" охлаждения .Системы "экономного" охлаждения с промежуточным теплоносителем (этиленгликоль и др.) особенно перспективны в России для поддержания плюсовых температур (кондиционирование воздуха, охлаждение фруктохранилищ, пивные технологии), так как пол года температурный режим может поддерживаться без работы холодильной машины.

Но об этом разговор в следующий раз...