Отопление кондиционером: основные виды, принцип их работы и особенности монтажа. Кондиционирование воздуха. Система отопления и вентиляции. Кондиционер

Перевод статьи с сайта www.buildingscience.com ()

Любая система кондиционирования помещений предназначена для обеспечения комфортной и здоровой атмосферы в здании. Многие, пожалуй, даже большинство, систем спроектированы таким образом, что они не в состоянии обеспечить приток свежего воздуха и комфорт при минимальных затратах энергии. Как показывает практика, большая часть популярных систем отопления/кондиционирования воздуха для жилых и коммерческих помещений имеют фундаментальные изъяны в своей конструкции.

Нагрузка на систему кондиционирования зависит от функции здания, а также от характера эксплуатации и толщины стен. Однако даже для здания в форме куба с идеальной изоляцией, в котором живет старик-отшельник, необходима вентиляция. Кондиционирование воздуха в здании может осуществляться с помощью активного механического оборудования или пассивной системы. Однако эффективность системы определяется не ее способностью выдерживать высокие нагрузки, а в стабильности работы.

Давайте постараемся понять, как должна выглядеть идеальная система отопления, вентиляции и кондиционирования. Несмотря на то, что проектировщикам очень часто приходится идти на те или иные компромиссы, необходимо отдавать себе отчет в недостатках системы и оказываемыми ими влиянии. Данная статья посвящена описанию идеальной системы отопления, вентиляции и кондиционирования как для жилых помещений с одной зоной, занимаемых одной семьей, так и для разбитой на несколько зон жилой и коммерческой недвижимости. Статья содержит основные принципы обеспечения энергоэффективности, надежности, безопасности и комфорта для зданий, находящихся в любых климатических зонах.

Цель

Фундаментальное требование для любого здания - обеспечение безопасности и комфорта. Следовательно, необходимо обеспечить вентиляцию помещений, создавая приятную атмосферу для находящихся внутри людей. Кроме того, на систему вентиляции ложится нагрузка по отводу выделяемых зданием в атмосферу вредных веществ. Необходимый приток свежего воздуха может меняться в диапазоне от долей кубических метров до нескольких кубических метров в минуту на человека в зависимости от поставленных задач. Однако сложность заключается не в том, чтобы обеспечить нужный объем притока воздуха, а в том, чтобы гарантировать необходимое количество свежего воздуха. В большинстве случаев с помощью высокой интенсивности вентиляции проектировщики пытаются компенсировать сложности с доставкой нужного объема свежего воздуха.

Комфортная температура воздуха внутри здания может варьироваться в диапазоне от 20 до 24°C при относительной влажности воздуха от 20 до 60%. Чем шире диапазон колебаний, тем большее количество людей будут испытывать дискомфорт. Это не означает, что при температуре воздуха на улице в 26°C большинство людей будут чувствовать себя некомфортно, это значит, что какая-то часть людей (скажем, 10%) не будут чувствовать себя хорошо.

Температура, определяющая комфорт нахождения внутри здания, это не температура воздуха, а так называемая «расчетная температура». Расчетная температура представляет собой сочетание температуры воздуха, средневзвешенное значение температур всех поверхностей внутри помещения (определяется как средняя радиационная температура) и скорости циркуляции воздуха. При низкой скорости воздуха расчетная температура будет представлять собой просто среднее значение температуры воздуха и средней радиационной температуры.

Для зданий с хорошей изоляцией (например, для зданий с идеальными стенами и качественной облицовкой) температуры поверхностей внутри здания не будут сильно расходиться с температурой воздуха, поэтому людям будет комфортно находиться в помещении, даже если температура будет находиться вблизи границ указанного выше комфортного диапазона. В стандартных современных зданиях в зимний период температура внутренних поверхностей стен и окон будет на несколько градусов ниже температуры воздуха внутри помещения, поэтому в этот период для достижения комфортной расчетной температуры нужно скорректировать температуру воздуха. В летние месяцы ситуация повторяется, но уже в обратном направлении .

Функции системы

Вне зависимости от качества изоляции здания кондиционирование воздуха внутри помещений необходимо выполнять в любых климатических зонах. Список обязательных функций для любой системы кондиционирования воздуха выглядит следующим образом:

Охлаждение воздуха
Нагревание воздуха
Увеличение влажности
Снижение влажности
Подача свежего воздуха
Фильтрация и удаление вредных веществ

Если говорить с точки зрения практики, любая система, активная или пассивная, должна выполнять следующие задачи:

Генерация или отвод тепла (холода)
Циркуляция холодного/горячего воздуха внутри здания
Подача тепла или холода в помещение
Увлажнение/осушение воздуха
Перемещение свежего воздуха внутри здания
Фильтрация воздуха для удаления пыли и выделяемых зданием вредных веществ,
Вывод лишнего тепла/холода наружу.

Идеальная система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ) оснащается отдельными компонентами, позволяющими выполнять каждую из этих задач. Это позволяет оптимизировать каждую подсистему в соответствии с выполняемой функцией, а также внедрить систему контроля, позволяющую управлять каждой функцией отдельно, избежав неизбежных при установке многофункциональных модулей компромиссов.

Наиболее сложными для управления являются как раз устройства, объединяющие сразу несколько функций. Несмотря на свою популярность, эти устройства обладают недостатками, в частности, они потребляют много энергии.

Если при проектировании системы основными целями являются надежность и обеспечение комфорта, выбор теплового насоса, использующего теплоту грунта, электрической охлаждающей установки, конденсационного котла или пассивной системы отопления с использование солнечной энергии будет иметь второстепенное значение при определении того, как будут реализованы функции системы ОВКВ. От использования энергоэффективного источника тепла (например, конденсационного бойлера) и холода (например, современные охладители имеют показатели эффективности при неполной нагрузке до 0,6) часто отказываются в пользу систем с переменным расходом воздуха, сочетающим функции вентиляции и контроля влажности. Системы переменного расхода воздуха, управляемые с помощью термостатов, часто нагревают ранее охлажденный воздух и не в состоянии обеспечить приток свежего воздуха в нужном объеме (либо склонны чрезмерно вентилировать помещение). Таким образом, использование менее эффективной установки нагрева/охлаждения в составе системы, выполняющего отдельную функцию, может принести существенный эффект в виде снижения потребления энергии, а также поможет улучшить качество воздуха, повысить уровень комфорта и надежность.

Небольшие ОВКВ системы для жилых помещений

Стандартная однозональная система обычно включает устройство отопления и кондиционирования воздуха, которое дополняет вентиляционная установка. Данная система разделяет процесс нагрева и охлаждения, а также процесс отвода тепла, возлагая эти задачи на отдельные устройства . Горячий и холодный воздух, смешиваются в вентиляционных трубах и подаются по всему зданию (хотя в этом случае более удачным, хотя и более дорогим вариантом было бы использование холодильной и жидкостной установки, применение которых в коммерческих целях описано ниже). Также в состав системы входит воздушный фильтр, который удаляет пыль. Отдельный увлажнитель также может использоваться для увеличения влажности воздуха, хотя в современных условиях необходимость в этом возникает редко. Описанная система выглядит идеально за исключением необходимости вентиляции подвального помещения, которое часто испытывает недостаток в свежем воздухе, и эту проблему надо как-то решать. Также она не подразумевает возможности осушения воздуха при необходимости. Эта проблема также требует решения, особенно для территорий с влажным климатом.

Чтобы обеспечить достаточную вентиляцию идеальная система ОВКВ должна иметь отдельные трубы для подачи и вывода воздуха. Чтобы снизить количество энергии, потребляемой на обогрев или охлаждение подаваемого снаружи воздуха, может использовать рекуператор. Такая система может передавать тепло между входным и выходным потоками воздуха, а также проталкивать воздух в нужном направлении. В зонах с теплым и влажным климатом лучше всего использовать вентилятор, утилизирующий энергию, который будет охлаждать поступающий снаружи воздух с помощью холодного и сухого воздуха, выходящего из здания .

Тепло или холод будут подаваться в помещение с помощью напольного и устанавливаемого над потолком радиаторов, так как такое решение обеспечивает максимальный комфорт при отсутствии движущихся элементов внутри помещения, минимальном количестве потерь энергии и слабом уровне шума. В домах с хорошей изоляцией преимущества радиаторного кондиционирования выражены меньше, так как нагрузки на систему ОВКВ очень малы, а значит, доставка тепла/холода с потоком воздуха становится практическим методом достижения эффективности «идеальной» системы ОВКВ, помогая добиться значительной экономии по сравнению с радиаторными системами.

На деле в небольших помещениях использование специальной вентиляционной установки и вентиляционных шахт не представляется возможным. Сочетание разных методов (распределение кондиционированного воздуха вместе с вентиляцией) требует более продуманных средств управления (см. ниже) и проектирования для устранения возможности расходования энергии впустую. Однако для однозональных систем, например, небольшого дома, в котором проживает одна семья, такие решения могут помочь получить достойный результат.

Отсутствие контроля влажности может стать серьезной проблемой для любого климата при влажной теплой погоде. Небольшое количество влаги может выводиться из воздуха при конденсации влаги на радиаторе охладительной установки, но для этого она должна проработать длительное время. Обычно процесс конденсации (и осушения воздуха) начинается через 10 - 15 минут после включения функции охлаждения воздуха. Таким образом, для получения идеальной системы ОВКВ необходимо использование отдельного устройства для осушения воздуха. На данный момент в продаже присутствует несколько решений от различных производителей.

При грамотном сочетании всех описанных выше решений можно получить практически идеальную модель системы ОВКВ для жилого дома, представленную на рисунке 1. Эта система экономична, проста в управлении и обслуживании, гарантирует приток свежего воздуха в нужном объеме и позволяет управлять влажностью воздуха. Если вы не стеснены в средствах, представленную ниже систему можно дополнить нижними и верхними радиаторами для обогрева крыши и пола, в результате чего на систему кондиционирования будет возложена только нагрузка по вентиляции, смешиванию, фильтрации воздуха и контролю влажности.

Рис. 1. Небольшая однозональная система вентиляции, отопления и фильтрации воздуха в жилом помещении, которая подразумевает совместное использование системы вентиляционных труб и разделение функций между различными устройствами.

Крупные многозональные системы ОВКВ

В коммерческой недвижимости (а также в больших жилых зданиях) распределение большого количества тепла по зданию требует использования крупных вентиляционных шахт. Кроме того, в подобных случаях часто встает необходимости в вентиляции крупных межэтажных зон. Крупные вентиляционные шахты, используемые для подачи воздуха от центральных систем ОВКВ, часто проходят через технические помещения и противопожарные перекрытия, что сопровождается дополнительными издержками и сложностями. Очень многие системы ОВКВ в многоэтажных домах бездумно используют крупные вентиляционные шахты, которые проникают через все здание от подвала до крыши, что позволяет реализовать регулировку подачи воздуха за счет давления воздуха, идущего снизу вверх, при этом проектировщики ожидают, что свежий воздух попадет в коридоры между квартирами и найдет выход через отверстия ниже входных дверей. Именно поэтому идеальная система ОВКВ для коммерческой недвижимости использует жидкости (например, хладагент, воду или гликоль) для транспортировки энергии, а вентиляционные шахты могут использоваться только для перемещения воздуха по зданию при кондиционировании воздуха внутри каждого помещения (жилой квартиры, офиса и т.д.).

Отделив контроль температуры от контроля вентиляции и влажности воздуха, можно получить очень надежную, простую в управлении и энергоэффективную систему.

Например, для коммерческой недвижимости центральная система может использоваться для получения тепла или холода, передаваемого с помощью жидкостей (воды или хладагента), благодаря использованию самых разных технологий. Охлаждение и обогрев помещений может осуществляться с помощью целого набора устройств, располагающихся непосредственно в кондиционируемом помещении. Например, с помощью радиаторной системы отопления и кондиционирования, встраиваемой в пол, стены и потолок. Такая система, конечно, требует раздельного и надежного контроля влажности воздуха в помещении при работе в режиме охлаждения. Данный тип «неавтономного местного кондиционера» обеспечивает минимальный уровень шума и максимальный уровень комфорта (контролируя среднюю радиационную температуру и температуру воздуха), а также низкий уровень энергопотребления.

Рис. 2. Многозональная система вентиляции, которая удаляет лишнюю влагу из подаваемого воздуха в соответствии с установленной влажностью воздуха в помещении, контролирует степень вентиляции для конкретного помещения и охлаждает/нагревает воздух в отдельных помещениях с помощью радиаторного или вентиляторного неавтономного местного кондиционера, управляемого с помощью термостата.

Существуют другие более экономичные решения, которые, тем не менее, в состоянии обеспечить схожую эффективность системы ОВКВ. Например, неплохими эксплуатационные качествами обладает система с вентиляторным доводчиком с низкой скоростью вращения, оснащенным устройством осушения воздуха, и блоком управления двигателем (ECM — engine control module), которая забирает воздух из помещения и смешивает его с кондиционированным воздухом, подавая эту смесь назад в помещение. Необходимо отметить, что эти системы не только дешевле, но и обладают большей скоростью срабатывания . Среди других доступных вариантов заслуживают упоминания прямоточные приточные вентиляционные системы (DedicatedOutdoorAirSystems- DOAS).

Выделенные системы притока воздуха могут использоваться в многозональных или больших однозональных помещениях для обеспечения вентиляции при нейтральной температуре независимо от отопления и охлаждения. Подобная система может включать разные модели вентиляторов, утилизирующих тепло или энергию. Для многозональных зданий рекомендуется использовать выделенную систему приточной вентиляции для каждого этажа отдельно, что позволит избежать проблем с вентиляционными трубами, проходящими через этажи. Системы подачи воздуха с регулируемой скоростью, которые поддерживают постоянное давление в вентиляционных приточных трубах, служат идеальным дополнением для описанных выше систем. Необходимо также отметить, что выделенные системы притока воздуха не испытывают проблем с качеством воздуха внутри помещения, связанных с рециркуляцией загрязненного воздуха из одного помещения в другое .

В идеале для каждого помещения необходимо обеспечить отдельное устройство для осушения воздуха. С практической точки зрения большая часть нагрузки на устройство осушения воздуха сопряжена с необходимость отвода влаги из приточного воздуха, таким образом, регулировка уровня влажности приточного воздуха в данных системах может помочь удерживать уровень влажности в нужных пределах.

Управление

Естественно, ни одно из описанных выше устройств и систем не может работать без соответствующих органов управления. Количество производимого тепла или холода регулируется с помощью термостата, устанавливаемого в кондиционируемом помещении. Причем один или несколько термостатов могут использоваться совместно только для группы помещений с одинаковыми тепловыми нагрузками.

Несмотря на возможные возражения, я настаиваю на том, что контроль влажности можно осуществлять только с помощью датчика влажности, который устанавливается вместе с оборудованием для увлажнения/осушения воздуха. Эти датчики, называемые гигростатами, широко представлены в продаже и стоят недорого. Стандартные системы охлаждения воздуха реагируют только на сигналы, получаемые от термостата, следовательно, они могут контролировать только температуру, а не влажность. Исключений из этого правила не существует.

Контроль системы вентиляции осуществляется также с помощью специального датчика. В большинстве случаев вентилирование помещений осуществляется на основании установленных интервалов времени. Очевидно, что такой подход имеет ряд ограничений при использовании в коммерческой недвижимости и объясняет частые жалобы на качество воздуха: наиболее часто сложности возникают с вентиляцией заполняемых время от времени переговорных комнат, кроме того, очень часто на вентиляцию пустых помещений энергия расходуется впустую. У нас есть хорошие новости: существуют специальные датчики, которые измеряют содержание углекислого газа в воздухе (этот уровень позволяет оценить количество людей в помещении и их активность). Таким образом, датчик, определяющий уровень CO 2 , может использоваться для управления системой вентиляции и контроля управления притоком воздуха, определяя, сколько воздуха необходимо и когда необходимо (конечно, минимальная вентиляция необходима даже в те моменты, когда в помещении никого нет, для удаления выделяемых зданием вредных веществ). Эта технология называется «вентиляция по требованию».

Сочетание выделенной приточной вентиляции и вентиляции по требованию является единственным «идеальным» решением для крупной многозональной недвижимости и зданий, в которых располагаются крупные государственные организации, а также единственным экономичным средством обеспечения притока свежего воздуха. В случае использования вентиляции вытесняющим потоком, потолочной вентиляции или подпольной вентиляции, все эти решения оказывают небольшое влияние на потребление энергии, комфорт или качество воздуха внутри здания. Выделенная приточная вентиляция и вентиляция по требованию, напротив, оказывает сильный положительный эффект. Для однозональных помещений вентиляция, осуществляемая через указанные интервалы времени, в сочетании с системой, обеспечивающей циркуляцию воздуха по всему зданию, она более чем достаточна и более экономична, хотя использование датчиков, определяющих необходимость вентиляции, позволит сэкономить некоторое количество энергии для домов с нулевым энергетическим балансом .

Сложные интегрированные системы автоматизации здания часто считаются очень полезным и даже обязательным условием для обеспечения эффективности и производительности. На деле, все обстоит ровным счетом наоборот. Система, подразумевающая использование центрального контроллера для обеспечения согласованной работы различного оборудования служит сигналом наличия проблем при проектировании системы ОВКВ. Условия в помещении контролируются датчиками, установленными в помещении, которые взаимодействуют только с оборудованием, установленными в данном помещении.

Системы контроля, которые мониторят состояние, но не управляют оборудованием, а также центральный пульт управления, позволяющий задавать температуру воздуха для отдельных зон помещения в конкретные часы и дни недели, могут быть очень полезны. Однако любая система, подразумевающая контроль удаленных насосов, охладителей и клапанов для обеспечения нужных условий влажности, температуры и качества воздуха, носит избыточный характер, сложна в реализации и требует сложного обслуживания; очень часто такие системы в долгосрочной перспективе испытывают проблемы с корректной калибровкой и обслуживанием.

Выводы

Идеальная система ОВКВ, описанная в данной статье, отличается надежностью, эффективностью и способна обеспечить комфортную и здоровую атмосферу. Многие описанные в статье идеи уже использовались в прошлом, но от них отказывались из-за отсутствия необходимости в экономичных решениях, недостаточной изоляции и т.п. Однако по мере повышения требований к качеству воздуха внутри помещений и эффективности систем ОВКВ сочетание разделения функций между различными устройствами и использование простых устройств контроля стало обязательной нормой при проектировании систем ОВКВ. При условии хорошей изоляции здания подобные системы оказываются дешевы, просты в эксплуатации и обслуживании и позволяют сэкономить значительное количество энергии.

Примечания

Плохая изоляция, расчетная температура и зонирование объясняют причины, которые вызывают жалобы о том, почему здание охлаждается сильнее в летние месяцы, чем нагревается в зимние месяцы.
Необходимо отметить, что холод - это условный термин, обозначающий отсутствие тепла, соответственно, охлаждение подразумевает отвод тепла.
Некоторые определяют вентиляционный доводчик как «коробку с вентилятором внутри». Очень часто для отвода или подачи тепла используется теплообменник, а фильтр - для фильтрации проходящего через вентиляционный доводчик воздуха.
Очень важно отметить, что вентилятор, утилизирующий энергию, ни при каких обстоятельствах не может использоваться для осушения воздуха. Он может снижать уровень влажности с помощью вентилирования помещения.
Параллельные установки переменного расхода воздуха, которые прогоняют воздух из помещения и оснащаются сухим теплообменником, являются менее эффективным решением.
Очень многим людям будет трудно в это поверить, однако большинство систем вентиляции в больницах подразумевают рециркуляцию воздуха между палатами и холлами, следовательно, патогенные микроорганизмы могут перемещаться по больнице через систему ОВКВ. Данные проблемы обычно нивелируются очень высокой скоростью воздухообмена, однако их можно полностью решить с помощью выделенной вентиляционной установки для отдельного помещения.
Контроллер FanCycler™ разработан как дешевое средство для управления системой кондиционирования. Данный контроллер позволяет управлять настройками и регулировать цикл нагрузки для различного времени суток в зависимости от дней недели.

Правильное кондиционирование воздуха в салоне уменьшает усталость водителя и поэтому является важным элементом безопасности. Воздухообмен, подогрев и охлаждение воздуха являются непременными условиями создания комфорта в салоне. Кроме того, система отопления и вентиляции должна устранять запотевание окон при сильных колебаниях температуры и влажности воздуха. Выполнить перечисленные задачи в постоянно изменяющихся условиях движения автомобиля при очень различных требованиях и чувствительности пассажиров к комфорту очень трудно. В связи с этим ниже рассмотрены важнейшие принципы конструирования системы отопления и вентиляции, так как они оказывают существенное влияние на конструкцию кузова.

(вентиляция, отопление, охлаждение, контроль влажности) различаются между собой.

Требования, предъявляемые к системе вентиляции и отопления

Микроклимат салона определяют следующие факторы:

поступление свежего воздуха, в основном для поддержания в салоне требуемого количества кислорода;
скорость перемещения воздуха в салоне и его распределение;
температура воздуха в салоне;
относительная влажность воздуха;
загрязненность воздуха (пыль, запахи, отработавшие газы);
температура стенок, ограничивающих салон.

Согласно общим требованиям к системам вентиляции минимальное количество поступающего воздуха на одного человека должно составлять 0,5 м3/мин, т. е. 2-2,5 м3/мин, для четырех-, пятиместного автомобиля, в котором заняты все места, независимо от того, стоит автомобиль на месте или движется. Обеспечить прохождение достаточного количества воздуха через салон за счет динамического напора можно только при движении автомобиля с большой скоростью, поэтому необходимым элементом системы является вентилятор. В действительности, чтобы обеспечить удовлетворительную вентиляцию в солнечный летний день, поступление воздуха должно быть существенно большим, чем указано выше, а именно: 4-6 м3/мин для небольших, и 8-10 м3/мин для больших автомобилей. Во избежание неприятного ощущения сквозняка средняя скорость поступления воздуха не должна превышать 0,5 м/с. Кроме того, расположение отверстий, предназначенных для поступления воздуха, должно быть согласовано с положением отверстий выхода воздуха таким образом, чтобы в салоне автомобиля при любой скорости существовало небольшое избыточное давление, предотвращающее проникновение в салон отработавших газов, пыли и т. д. При закрытых окнах через вытяжные отверстия удаляется только 50-70% воздуха, поступающего в салон, а остальное количество его просачивается через неподдающиеся контролю дефекты уплотнений окон, дверей и других элементов. Требуемая малая «средняя скорость поступления воздуха» (в некоторых зонах она может быть больше среднего значения) должна достигаться путем соответствующего распределения общего потока воздуха.

Напомним, что забор воздуха должен осуществляться в зоне избыточного давления, а выброс воздуха - в зоне разрежения. Хорошего распределения воздуха можно добиться только путем правильного размещения многочисленных регулируемых отверстий для поступления воздуха в салон. Эти отверстия, расположенные вдоль панели приборов, предназначены для регулирования количества и направления потока воздуха, поступающего в салон, в зависимости от условий эксплуатации автомобиля. В любом случае необходимо наличие следующих потоков:

потока воздуха вдоль боковин, который может направляться через дверные каналы назад (боковые дефлекторы);
прямого потока свежего воздуха по центру салона автомобиля, с поступлением воздуха примерно на уровне пруди (центральные дефлекторы);
потока воздуха в зону ног и к ветровому стеклу (по обеим сторонам автомобиля), при низкой температуре окружающей среды этот поток должен хорошо прогреваться;
в боковые и центральные дефлекторы также должен подаваться теплый воздух.

Упоминавшаяся ранее скорость воздушного потока, поступающего в салон, оказывает влияние не только на ощущение сквозняка, но и на восприятие температуры. Вследствие охлаждения поверхности тела в результате повышенной теплоотдачи при перемещении воздуха человек способен выдерживать более высокие температуры, при этом температура окружающей среды кажется человеку более низкой. Первое используют летом для «охлаждения ветерком», последнее следует принимать во внимание при проектировании системы отопления автомобиля. Хорошее самочувствие при температуре 20°С и неподвижном воздухе соответствует примерно 26°С при скорости воздуха 1 м/с.

Работа системы вентиляции и охлаждения

Проблема температуры в салоне - отопление и вентиляция. Для обеспечения необходимого температурного комфорта температура воздуха в салоне должна находиться в интервале 18-22°С. Проведенные измерения и эксперименты показывают, что перепад температур благоприятен для человека: на уровне головы температура должна быть на 5-8° ниже, чем в области ног как летом, так и зимой. Чтобы обеспечить такой тепловой режим, необходимо произвести расчет системы вентиляции и отопления. Добиться требуемого перепада температур можно путем продуманного распределения воздушных потоков и подогрева воздуха зимой. Установившийся температурный режим в салоне в стационарном состоянии определяется балансом между количеством теплоты, поступающим извне (солнечное излучение) и изнутри (двигатель, отопление, тепловыделение от сидящих в автомобиле людей) и теплообменом через поверхность кузова и за счет уноса теплоты вентиляционным воздухом.

Работа системы вентиляции и охлаждения особенно затруднена летом в условиях прямого действия солнечных лучей. Плотность поступающего теплового потока составляет в этих условиях примерно 990 ккал/(м2ч) и зависит от качества теплоизоляции кузова. При площади облучаемой поверхности салона автомобиля среднего размера 2,5 м2 тепловой поток составляет приблизительно 2300 ккал/ч, большая часть которого проникает через окна. Путем применения эффективной термоизоляции (прежде всего крыши), окраски кузова и салона в светлые (отражающие) цвета, а также использования тонированных стекол можно уменьшить этот тепловой поток.

Цвет обусловливает изменение температуры в салоне (если сравнивать кузова белого и черного цвета) по сравнению с температурой внешней среды в зависимости от размеров автомобиля на 8-15%. Обычные (нетонированные) стекла пропускают световое и тепловое излучение почти беспрепятственно, поэтому общепринятые в настоящее время большие окна в этом отношении не являются удачным решением. При движении автомобиля воздух, обтекающий кузов, оказывает некоторое охлаждающее действие, но если не применяются дополнительные охлаждающие устройства, температура в салоне постоянно выше температуры внешней среды на 3-4°С в основном по следующим причинам.

В результате выделения теплоты двигателем, трансмиссией и системой выпуска отработавших газов, несмотря на хорошую изоляцию, происходит подогрев воздуха салона. К этому можно добавить теплоту, выделяемую людьми, находящимися в автомобиле, которая в состоянии покоя составляет примерно 100 ккал/ч. Летом выделение указанной теплоты должно компенсироваться проветриванием таким образом, чтобы в салоне поддерживалась температура, приемлемая для людей. Столь желанная летом отдача теплоты поверхностью кузова вследствие слишком малого перепада температур в салоне и снаружи очень невелика. Поэтому, если невозможно получить приемлемую температуру в салоне посредством естественной вентиляции, то необходимо предусмотреть дополнительное охлаждение воздуха, поступающего в салон с помощью охлаждающей системы. Она может устанавливаться в автомобиль независимо от существующей системы отопления и вентиляции, однако лучше их объединять, тогда получается система кондиционирования. С помощью такой системы можно регулировать не только температурный режим в салоне, но и влажность воздуха.

Ниже приведены некоторые общие данные из области теплотехники.

Дополнительное охлаждение воздуха салона необходимо при температуре внешней среды выше 35°С и интенсивном солнечном излучении. В этом случае температура воздуха в салоне во избежание опасности переохлаждения не должна быть ниже температуры внешней среды более чем на 10°, причем температура холодного воздуха, поступающего из теплообменника, не должна быть ниже 5°С. Целесообразно охлаждать только часть свежего воздуха (примерно 30%), остальное количество поступающего воздуха следует использовать для освежения воздуха в салоне, тогда возрастает эффективность использования воздуха и уменьшаются конструктивные затраты на кондиционер. Конечно, окна автомобиля (с тонированными стеклами) должны оставаться закрытыми. Тем не менее для охлаждения воздуха потребляется большая мощность, поскольку нужно не только охладить воздух, но и компенсировать нагрев его от солнечного излучения и внутренний «подогрев» салона. По данным Фиала для среднего легкового автомобиля этот нагрев составляет примерно 4500 ккал/ч. Большое преимущество дополнительного охлаждения заключается в том, что с ним уменьшается относительная влажность воздуха в салоне. Она уменьшается примерно на 35% вследствие охлаждения конденсационной влаги в теплообменнике, что при высокой температуре внешней среды и высокой влажности воспринимается особенно приятно.

По-другому выглядят требования, предъявляемые к кондиционеру, когда необходимо повысить температуру воздуха в салоне в условиях зимней эксплуатации. Необходимую для этого тепловую энергию лучше всего получать от системы охлаждения двигателя. Система отопления от отработавших газов, применяемая на автомобилях с двигателями с воздушным охлаждением, вследствие присущих ей недостатков (сильной зависимости от реализуемой мощности двигателя, малой теплоемкости, повышенного шума по сравнению с жидкостной системой отопления) не рассматривается. При проектировании системы отопления следует учитывать, что во время проветривания, т. е. выброса нагретого воздуха через предусмотренные для этого отверстия и имеющиеся в уплотнениях щели, происходит потеря теплоты вентиляционным воздухом. Это существенно уменьшает КПД системы отопления. КПД зависит от многих параметров, часть из которых определена ниже.

В этом примере не учтена потеря теплоты через поверхность кузова (излучение, конвекция, теплопередача), а также нагрев воздуха в салоне от двигателя, системы выпуска отработавших газов и находящихся в салоне людей. Потеря теплоты зависит от разности температур воздуха в салоне и снаружи автомобиля, которая в свою очередь зависит от количества воздуха, поступающего в салон, следовательно, от скорости движения, а также от качества термоизоляции салона (крыша, двери, боковины). Поэтому обобщенные формулы привести невозможно. В приведенном выше примере потеря теплоты составила примерно 1800 ккал/ч, что можно использовать в качестве ориентировочных данных. При расчете системы отопления следует учитывать только 60% максимального притока воздуха в условиях летней эксплуатации (все отверстия для поступления воздуха открыты), поэтому в рассмотренном примере взято 3,5 м3/ч вместо 6,0 м3/ч (при полностью открытых отверстиях для поступления воздуха).

Эффективность системы отопления можно резко увеличить путем повышения температуры воздуха, поступающего из отопителя, а также температуры охлаждающей жидкости двигателя с помощью термостатов, отрегулированных на более высокую температуру воды («зимний» термостат), кроме того, посредством предусматривания нелинейной регулировки количества поступающего воздуха, позволяющей компенсировать увеличение скоростного напора воздуха с ростом скорости автомобиля.

Скорость прогрева воздуха в салоне

Особенно важным с точки зрения потребительной ценности системы отопления является время прогрева холодного салона , причем прогреваться должен не только воздух в салоне, но и кузов вместе с остеклением (соответственно, должно устраняться обледенение стекол), для чего необходимо большое количество теплоты. В процессе размораживания окон стекла должны стать прозрачными, причем сначала должно оттаивать ветровое стекло, а затем боковые. Ввиду того, что скорость оттаивания окон важна для безопасности движения, в США введено испытание автомобилей на соответствие федеральному стандарту 103, согласно которой на размораживаемом ветровом стекле в течение заданного времени должны быть получены определенные прозрачные зоны: это касается и боковых стекол. Для размораживания заднего стекла не используется поток теплого воздуха системы отопления автомобиля, поэтому в настоящее время совершенно оправдано использование электрообогреваемого заднего стекла в качестве стандартного оснащения.

Скорость прогрева воздуха в салоне зависит от того, как быстро прогревается контур системы отопления (охлаждающая жидкость двигателя) до рабочей температуры (80-85°С), а это в свою очередь зависит от мощности двигателя. Путем регулировки термостата и дополнительного подогрева воды в системе отопления с помощью отработавших газов период прогрева может существенно уменьшиться. Автомобиль среднего класса обычно прогревается за 12-15 мин при включенной третьей или четвертой передаче (скорость автомобиля 40-60 км/ч).

Значительно уменьшить время прогрева салона можно с помощью дополнительного бензинового подогревателя, включаемого вручную или автоматически с помощью реле времени. Такой подогреватель можно использовать только для подогрева воздуха в салоне автомобиля. Если подогреватель включить в контур системы охлаждения двигателя, то его можно применять и для предпускового прогрева.

Проблема влажности воздуха

Из многолетней практики и результатов исследований известно, что наиболее приятно воспринимается воздух, влажность которого в зависимости от температуры находится в интервале 30-70%. Относительно высокое (но в пересчете на обсолютные значения довольно низкое) содержание влаги в воздухе при низкой температуре приводит к тому, что по мере прогревания холодного воздуха относительная влажность уменьшается примерно до 20-25%. Это явление носит положительный характер, поскольку предотвращается запотевание окон. Конечно, человек, находящийся в автомобиле, выделяет в воздух в течение 1 ч 40-100 г влаги в результате испарения, дыхания, высыхания влажной одежды и т. д., поэтому при отоплении салона воздух не становится слишком сухим. Кроме того, приемлемую влажность воздуха можно получить, смешивая прогретый воздух из отопителя с холодным свежим воздухом. Удачным распределением потоков воздуха вдоль окон можно предотвратить запотевание стекол и высушить их. И напротив, при дополнительном охлаждении воздуха кондиционером из-за конденсации влаги и дополнительного подогрева автомобиля относительная влажность сильно уменьшается.

Типы конструкций систем отопления и вентиляции, кондиционеров, управление ими

Ниже рассмотрены типичные системы отопления и вентиляции, кондиционеры, их общие свойства и схемы управления ими.

Каждая система отопления и вентиляции состоит из:

корпуса с воздуховодами и воздухораспределительными каналами;
теплообменника с вентилятором;
органов управления температурой, поступлением и распределением воздуха.

В кондиционер кроме перечисленных выше узлов входит установка, охлаждающая воздух, состоящая из компрессора, конденсатора и испарителя. Основной проблемой для всех систем является управление поступлением воздуха и температурой, а также распределением воздушного потока.

В результате прироста скоростного напора и работы вентилятора поступление воздуха увеличивается в большей мере, чем скорость движения. Поступление воздуха можно относительно просто регулировать с помощью заслонки воздухопритока, которая всегда имеется (она также требуется для того, чтобы предотвратить проникновение токсичных отработавших газов при транспортном заторе). Это возможно только в том случае, если управление заслонкой воздухопритока не зависит от других регулировок, кроме включения вентилятора. Для того чтобы летом можно было обеспечить поступление большого количества воздуха в салон, дополнительно предусматривают крышку воздухопритока, управляемую вручную. Путем соответствующего проектирования системы воздухопритока можно получить подачу воздуха, нарастающую медленнее, чем скорость. В целях отделения крупных частиц пыли и влаги во впускном канале следует предусматривать резкий разворот потока воздуха.

Регулировка температуры воздуха в салоне может осуществляться тремя способами:

регулировкой количества горячей воды, поступающей в радиатор отопителя (водяная регулировка);
смешиванием свежего воздуха с горячим, прошедшим через теплообменник (воздушная регулировка);
комбинированием обоих способов (смешанная регулировка). Вентилятор имеет два-три режима работы;
возможно объединение работы вентилятора с регулировкой количества поступающего воздуха.

В случае движения автомобиля с малой скоростью (городское движение) это особенно необходимо. При очень жаркой погоде такой вентилятор обеспечивает эффективную работу системы вентиляции па всем скоростном диапазоне автомобиля. В системах отопления и вентиляции могут использоваться осевые вентиляторы, которые имеют небольшие габаритные размеры и относительно дешевы, а также радиальные вентиляторы, которые имеют более высокие показатели по расходу, т. е. количество воздуха, поступающего в салон, меньше зависит от скоростного напора. Радиальные вентиляторы работают с меньшим шумом, однако имеют большие размеры. Вентилятор устанавливают преимущественно в воздушном потоке перед теплообменником таким образом, что летом свежий воздух, прошедший через теплообменник, непосредственно подается в салон. Все типы регулировки имеют свои особенности, преимущества и недостатки.

При регулировке количеством горячей воды, поступающей в теплообменник (водяная регулировка), температура регулируется с помощью специального крана, изменяющего количество воды, поступающей в теплообменник. Очень трудно получить линейную зависимость между регулировочным ходом органов управления и температурой выходящего горячего воздуха, так как для получения небольшой производительности отопителя через радиатор должно пройти предельно малое количество воды. Производительности системы отопления, равной 50% соответствуют 2-3% максимально возможного потока воды. Кроме того, запорный клапан должен иметь герметичное уплотнение и легко открываться после длительного перерыва.

Разработано два типа кранов: мембранный и поршневой. Недостатком водяной регулировки является то, что необходимая температура воздуха устанавливается с большим опозданием после поворота крана, так как сначала должна прогреться (или охладиться) вода, находящаяся в системе отопления. Производительность системы отопления в большой степени зависит от количества поступающего воздуха и циркулирующей воды, даже при открытом кране. Несмотря па это, регулировку такого типа вследствие ее простоты часто применяют на дешевых автомобилях.

Путем разделения теплообменника на несколько отдельных блоков, регулируемых краном по отдельности, можно устранить основной недостаток водяной регулировки - сложность регулировки.

При регулировке путем смешивания холодного и горячего воздуха (воздушная регулировка) требуются большие конструктивные затраты и большее пространство для размещения дополнительных заслонок и каналов. Равномерное смешивание холодного и горячего воздуха осуществить сложно, поэтому можно примириться с некоторым расслоением потоков, т. е. с тем, что холодный воздух пойдет вверх, как это происходит в некоторых системах. Так как поток воды в таких системах не регулируется, то в жаркую погоду он сильно зависит от герметичности управляющей заслонки, поэтому хотя бы для летней эксплуатации автомобиля следует предусматривать возможность отключения горячей воды, чтобы предотвратить подогрев свежего воздуха.

Преимуществами описываемого типа регулировки являются:

быстрая реакция на регулировочные воздействия;
независимость от поступления воздуха (скорости движения);
возможность точной регулировки температуры;
при этом кран регулировки поступления воды может отсутствовать.

Управление различными воздушными заслонками, предназначенными для поступления, смешивания и распределения воздуха, сложно и сопряжено со значительными конструктивными затратами. Управление должно осуществляться посредством механических связей, чтобы были исключены ошибки в механизме управления. Это ведет к еще большему увеличению конструктивных затрат.

Смешанная регулировка является видоизменением указанных выше способов регулировки. Она отличается тем, что управление температурой осуществляется как регулировкой количества горячей воды, поступающей в теплообменник, так и смешиванием холодного и горячего воздуха. В результате этого управление водяным краном становится менее важным, возможности регулировки и реакция системы улучшаются. Управление водяным краном и смесительной заслонкой могут быть механически связаны. Канал для поступления свежего воздуха в такой конструкции может быть небольшим, так как часть воздуха проходит через управляемый теплообменник. Поэтому для размещения такой системы требуется меньше места. Смешанное регулирование имеет много преимуществ, вследствие чего именно его в настоящее время чаще всего используют на автомобилях среднего класса.

Управление системой отопления и вентиляции (в целом довольно сложное) можно упростить, если органы управления оформить таким образом, чтобы при достижении максимальной функциональности исключались условия для совершения ошибки. Так как до настоящего времени еще не существует норм по расположению, конструктивному исполнению и обозначению таких органов, то ниже предложены с соответствующим обоснованием некоторые критерии по данному вопросу. Органы управления системой отопления и вентиляции необходимо располагать поблизости от продольной оси автомобиля, выполняя следующие требования:

максимально возможная простота, т. е. небольшое число органов управления;
логичные и четко различимые символы назначения сарганов управления;
легкость управления и хорошая видимость положения органов управления;
исключение возможности удара человека об органы управления (предписание по безопасности);
совершение однородных и одинаково направленных действий при пользовании органами управления.

Эти требования могут быть выполнены применением комбинации из трех рычажков:

первый рычаг должен служить для регулировки количества поступающего воздуха и включения вентилятора;
второй рычаг должен служить для регулировки температуры;
третий рычаг должен служить для распределения воздушного потока между зоной ног и ветровым стеклом.

Передвижные рычаги лучше всего подходят для органов управления системой отопления и вентиляции (большой ход, большие передаваемые усилия и хорошо заметное положение). Применяя пластически деформируемые ручки или закрепляя их таким образом, что они утапливаются под действием ударной нагрузки, можно в достаточной степени защитить человека и соблюсти требования безопасности.

Путем установки испарителя перед радиатором отопителя (теплообменником), компрессора на двигатель, можно преобразовать систему отопления и вентиляции в кондиционерную установку (предполагается, что место, необходимое для размещения испарителя, заранее предусмотрено). Такое исполнение рационально только в том случае, когда кондиционерную установку предусматривают для большей части автомобилей данного типа. Конструктивно проще и экономичнее (без удорожания серийного оснащения), если кондиционер, предлагаемый потребителю в качестве дополнительного оборудования, устанавливается в автомобиль в виде отдельного навесного агрегата. Обычно установка кондиционера целесообразна при удовлетворении повышенных требований, предъявляемых к комфорту, и при путешествиях в жаркие страны.

Неблагоприятное воздействие на организм человека оказывает не только высокая, но и низкая температура воздуха. Она может вызвать местное или общее охлаждение организма, стать причиной простудного заболевания или обморожения

Обморожение может наступить даже при положительной температуре 3 – 70С. Обморожению более всего подвержены пальцы, кисти, стопы, уши, нос.

Наибольший процент обморожений и даже смертей в результате переохлаждения тела человека наблюдается при сочетании низкой температуры воздуха, высокой влажности и большой его подвижности (ветре)

Субъективные ощущения человеком комфорта меняются в зависимости от соотношения метеорологических факторов (табл. 2.1.)

В производственных условиях выделение тепла в помещения возможно от стекловаренных, обжиговых и нагревательных печей, вагранок, сушильных установок и других тепловых агрегатов; остывания нагретых изделий и материалов или расплавленных масс; перехода электрической энергии в тепловую; отопительных устройств и т.п.

Инфракрасное излучение – это тепловое излучение, представляющее собой электромагнитные колебания, обладающие как волновыми, так и световыми свойствами.

Характер воздействия излучения зависит от многих факторов: интенсивности, длительности облучения, размеров излучающей поверхности и облучаемых участков тела человека

Максимальной проникающей способностью обладают красные лучи видимого спектра и короткие инфракрасные лучи с длиной волны до 1,5 мкм, глубоко проникающие в ткани и мало поглощаемые поверхностью кожи. При общем воздействии инфракрасного излучения в организме человека возникают биохимические сдвиги и изменения функционального состояния центральной нервной системы.

Передача тепла от более нагретых тел к менее нагретым осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением (лучеиспусканием).

Теплопроводность – это перенос энергии (тепла) от одной частицы к другой вследствие их беспорядочного движения и непосредственного соприкосновения друг с другом (колебание атомов в кристаллической решетке твердых тел, диффузия свободных электронов в металлах).

Конвекция – перенос энергии (тепла) микрочастицами вследствие их движения в среде газа или жидкости. В результате смешивания веществ температура среды повышается.

Тепловое излучение (лучеиспускание) – процесс распространения электромагнитных колебаний, обусловленных тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.

Исследования показывают, что не менее 60 % всего теряемого тепла распространяется в окружающей среде путем излучения.

Продолжительное воздействие лучистой энергии на открытые участки кожи человека может приводить к ожогам.

Система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха

Предназначена для обеспечения нормируемых метеорологических условий и чистоты воздуха на рабочих местах.

Общие требования к системам производственных, складских, вспомогательных и общественных зданий и сооружений определены ГОСТ 12.4.021 Требования к проектированию систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в помещениях зданий и сооружений на территории Республики Беларусь установлены СНиП 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» с изменениями, утвержденными Министерством архитектуры и строительства Республики Беларусь.

Отопление. Отопление проектируется для обеспечения в помещениях расчетной температуры воздуха, которая принимается в зависимости от периода года. Для холодного периода года расчет отопления производится с учетом обеспечения минимальной из допустимых температур. В холодный период года в общественных, отапливаемых зданий, когда они не используются, и в нерабочее время следует принимать температуру воздуха ниже нормируемой, но не ниже 50С. На постоянных рабочих местах в помещениях пультов управления технологическими процессами необходимо 220С и относительную влажность не более 60% в течение всего года.

Система отопления – это комплекс конструктивных элементов, предназначенных для получения, переноса и подачи необходимого расчетного количества тепла в обогреваемые помещения.

К местным системам относят такие, в которых генератор тепла, нагревательные приборы и теплопроводы. К системам центрального отопления относятся такие, в которых генераторы тепла расположены вне отапливаемых помещений. Центральные системы отопления представлены прежде всего водяными, паровыми, воздушными и комбинированными.Водяное отопление обычно используют в жилых, общественных, административно-бытовых, производственных и других помещениях. Основным недостатком системы является возможность ее замерзания в зимнее время. В паровом отоплении теплоносителем является водяной пар (влажный, насыщенный). В зависимости от рабочего давления оно делится на системы низкого, высокого давления и вакуум-паровые. Воздушное отопление по способу подачи теплого воздуха подразделяется на центральное – с подачей нагретого воздуха от единого теплогенератора и местное – с подачей теплого воздуха местными отопительными агрегатами. Воздушное отопление проектируют преимущественно в производственных помещениях всех категорий с выделением и без выделения пыли. В производственных помещениях категорий температура воздуха на выходе из воздухораспределителей должна быть не менее чем на 200 ниже температуры самовоспламенения газов, паров и пыли, выделяющихся в этих помещениях

Вентиляция. По способу организации воздухообмена вентиляция может быть обще-обменной, местной и комбинированной.

Обще-обменную вентиляцию, при которой смена воздуха происходит во всем объеме помещения, наиболее часто применяют в тех случаях, когда вредные вещества выделяются в небольших количествах и равномерно по всему помещению. Местная вентиляция предназначена для отсоса вредных выделений (газы, пары, пыль, избыточное тепло) в местах их образования и удаления из помещения. Комбинированная система предусматривает одновременную работу местной и обще-обменной вентиляции. В зависимости от способа перемещения воздуха вентиляция бывает естественной и механической. При естественной вентиляции воздух перемещается под влиянием естественных факторов: теплового напора или действия ветра. При механической вентиляции воздух перемещается с помощью вентиляторов, эжекторов и др. Сочетание естественной и искусственной вентиляции образует смешанную систему вентиляции.

В зависимости от назначения вентиляции - подача (приток) воздуха в помещение или удаление (вытяжка) его из помещения, вентиляцию называют приточной и вытяжной. При одновременной подаче и удалении воздуха вентиляция называется приточно-вытяжной. В соответствии с ГОСТ 12.4.021 во всех помещениях должна быть предусмотрена естественная вентиляция, которая может иметь неорганизованный и организованный характер. При неорганизованной вентиляции воздух подается и удаляется из помещения через неплотности и поры наружных ограждений зданий (инфильтрация), а также через форточки, окна, открываемые без всякой системы. Естественная вентиляция считается организованной, если направления воздушных потоков и воздухообмен регулируются с помощью специальных устройств. Систему организованного естественного воздухообмена называют аэрацией. Аварийная вентиляция представляет собой самостоятельную установку и имеет большое значение для обеспечения безопасности эксплуатации взрыво- и пожароопасных производств и производств, связанных с использованием вредных веществ. Для автоматического включения аварийную вентиляцию блокируют с автоматическими газоанализаторами, установленными либо на величину ПДК (вредное вещество), либо на определенный процент от величины нижнего концентрационного предела взрываемости (взрывоопасные смеси). Кроме того, должен быть предусмотрен дистанционный пуск аварийной вентиляции пусковыми устройствами, расположенными у входных дверей снаружи помещения. Аварийную вентиляцию всегда устраивают только вытяжной, чтобы предотвратить перетек вредных веществ в соседние помещения. Кратность вытяжки определяется отраслевыми правилами охраны труда (правилами безопасности), она колеблется в широких пределах. Обычные системы вентиляции не способны поддерживать сразу все параметры воздуха в пределах, обеспечивающих комфортные условия в зонах пребывания людей. Эту задачу выполняет кондиционирование, которое является наиболее совершенным видом механической вентиляции и автоматически поддерживает микроклимат на рабочем месте независимо от наружных условий.