Почему необходимо кондиционирование воздуха

Комфортные условия для человека

Человек – это "сложный механизм", для наилучшей работоспособности которого требуется соблюдение достаточного количества необходимых норм, а для создания комфортных условий количество этих норм возрастает прямо пропорционально потребностям.

Мы пропускаем через легкие приблизительно 15-17 кг воздуха в сутки, а если учесть, что в воздухе, котором мы дышим, в большом количестве присутствуют примеси, вредные для человеческого организма (особенно это характерно для больших городов), то необходимость очистки воздуха встает особо остро. Конструкция современных кондиционеров должна предусматривать эффективную систему очистки, при которой все мельчайшие вредные для здоровья примеси осаждаются на фильтрах, а не в легких пользователя.

Жизнедеятельность – это повседневная деятельность и отдых, способ существования человека. Жизнедеятельность человека протекает в постоянном контакте со средой обитания, окружающими предметами, людьми. Среда обитания может оказывать благотворное или неблагоприятное влияние на состояние здоровья человека, его самочувствие и работоспособность. Параметры окружающей среды, при которых создаются наилучшие для организма условия жизнедеятельности, называются комфортными.

На протяжении веков человек стремился сделать как можно более комфортной среду обитания. В регионах с холодным климатом он делал все, чтобы согреть свой дом, а в жарких странах спасался от жары. Температура воздуха всегда была определяющим фактором самочувствия человека. Если проанализировать условия, которые определяют состояние комфорта, то можно выделить три основных фактора, влияющих на самочувствие человека.

  • Человек

- его одежда (тепло или холодно одетому человеку)

- род занятий (отдых, работа или занятия спортом)

- временной интервал (длительность пребывания человека в данных условиях)


  • Окружающая среда

    - термическое излучение

    - температура окружающих поверхностей и предметов

  • Воздух

    - скорость воздушного потока

    - влажность воздуха

  • Эти три фактора оказывают существенное влияние на ощущение комфорта, но самым непредсказуемым является человеческий фактор.

    Поскольку практически невозможно заранее рассчитать, с какими именно условиями столкнется человек, находясь в том или ином здании, необходимо предусматривать определенную гибкость системы, создающей атмосферу в помещениях. Обеспечение оптимальной внутренней среды закрытых помещений, где протекает большая часть жизни человека, немыслимо без соблюдения гигиенических требований, предусматривающих необходимость различными архитектурно-планировочными приемами и техническими средствами нейтрализовать отрицательные и усилить положительные свойства окружающей среды.

    Хорошее качество воздуха в помещениях – один из наиболее важных факторов сохранения здоровья людей. Плохой воздух не только влияет на самочувствие, снижает работоспособность, но и может стать причиной возникновения болезней. Многочисленными независимыми исследованиями установлена прямая зависимость между работоспособностью людей, находящихся в помещении, и условиями, существующими в этом помещении. Несомненным является тот факт, что излишне высокая или низкая температура, а также повышенная влажность не способствуют производительности труда. Для рабочих помещений, не имеющих прямого сообщения с наружным воздухом и лишенных естественного освещения, обязательно создание искусственного климата, показатели которого не выходили бы за рамки комфорта. Это касается режима температуры и влажности воздуха, а также вентиляции, то есть воздухообмена. Указанные характеристики рабочих помещений должны быть стабильными и обеспечиваются искусственно.

    Существует прямая связь между микроклиматом рабочих помещений и производительностью труда. Экспериментальным путем установлено, что наивысшая производительность труда достигается при прочих равных условиях там, где существует устойчивый оптимальный температурно-влажностный режим и есть равномерное постоянное поступление чистого свежего воздуха без ощутимой его подвижности (сквозняков). Особенно велико значение отклонений температуры от комфортных условий.

    Производительность труда начинает падать при температуре около 22 градусах, а выше 26 градусов это падение становится наиболее очевидным. Это значит, что такой температуры следует в любом случае избегать. Оптимальные температурные параметры варьируют от 20 до 23 градусов в условиях холодного климата, от 20 до 22 градусов в условиях умеренного климата и от 23 до 25 градусов – в условиях жаркого климата.

    Большое значение в теплообмене человека имеет влажность воздуха в помещении. Оба этих значения (температура и влажность) объединены термином «эффективная температура».

    Исследование, проведенные профессором D.Wyon, подтверждают зависимость между количеством несчастных случаев, координацией движений, психическим состоянием, ощущением комфорта человека и температурой. Он сделал следующие выводы:

    • Несчастные случаи происходят чаще при предельных температурах, причем оптимальная температура равна приблизительно 20 градусам.
    • Наилучшая координация движений соответствует температуре около 24 градусов.
    • Относительное число людей, испытывающих субъективное ощущение комфорта, становится максимальным при температуре 21 градус.
    • При высоких температурах психическое состояние ухудшается, а рабочий ритм быстро падает.
    Термическая нагрузка

    Почему современные здания испытывают несоизмеримо большую термическую нагрузку, чем, скажем, здания, построенные пятьдесят лет назад? Для составления теплового баланса помещения необходимо определить все поступления и потери тепла. В помещениях различного назначения действуют две основные категории тепловых нагрузок:

    • Тепловые нагрузки, возникающие снаружи помещения (наружные)
    • Тепловые нагрузки, возникающие внутри зданий (внутренние)

    Наружные тепловые нагрузки представлены следующими составляющими:

    • Теплопоступления или теплопотери в результате разности температур снаружи и внутри здания через стены, потолки, полы, окна и двери. Разность температур снаружи здания и внутри него летом является положительной, в результате чего имеет место приток тепла снаружи вовнутрь помещения, и наоборот – зимой эта разность является отрицательной и направление потока тепла меняется.
    • Теплопоступления от солнечного излучения через застекленные площади; данная нагрузка проявляется в виде ощущаемого тепла. Солнечное излучение всегда создает положительную тепловую нагрузку, как летом, так и зимой. Летом эта нагрузка должна быть компенсирована, а зимой она незначительная и интегрируется с теплом, вырабатываемым установкой искусственного климата.
    • Наружный вентиляционный воздух и воздух, проникающий в помещения, также могут иметь различные свойства, которые, однако, почти всегда контрастируют с метеорологическими требованиями помещений. И только в промежуточный период между зимним и летним сезоном наружный воздух может, в какой то мере, быть использован в форме бесплатного охлаждения помещений.

    Следует отметить, что наружные тепловые нагрузки могут обладать различными свойствами, то есть, могут быть как положительными, так и отрицательными в зависимости от времени года и времени суток.

    Солнечное излучение

    Хотя энергия солнечного излучения не сильно изменилась за последние пятьдесят лет, архитектура зданий, которая определяет воздействие солнечных лучей, изменилась радикально. Технологические достижения последнего времени – такие, например, как конструкции из предварительно напряженного бетона – сделали возможным создание огромных пролетов без промежуточных опор, что привело, в свою очередь, к значительному росту площади остекления. Из-за этого, несмотря на солнцезащитное покрытие стекол, приток солнечной энергии внутрь здания существенно возрос.

    Внутренние тепловые нагрузки в жилых, офисных или относящихся к сфере обслуживания помещениях слагаются в основном из:

    • Тепла, выделяемого людьми
    • Тепла, выделяемого лампами и осветительными приборами, электроприборами.
    • Тепла, выделяемого работающими приборами и оборудованием: компьютерами, печатающими устройствами, фотокопировальными машинами и пр. (в офисных и других помещениях)

    Все перечисленные внутренние тепловые нагрузки являются всегда положительными, и поэтому в летний период они должны быть устранены, а зимой за их счет снижается нагрузка на установки обогрева.

    Теплоизлучение людей

    Одним из необходимых условий нормальной жизнедеятельности человека является обеспечение нормальных условий в помещениях, оказывающих существенное влияние на тепловое самочувствие человека. Условия, при которых состояние человека нарушается, называют дискомфортными.

    Жизнедеятельность человека сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую среду. Ее количество напрямую зависит от степени физического напряжения в определенных климатических условиях и составляет от 85 дж/с (в состоянии покоя) до 500 дж/с (при тяжелой работе). Теплоотдача организма человека определяется температурой окружающего воздуха и предметов, скоростью движения и относительной влажностью воздуха. Для того, чтобы физиологические процессы в организме протекали нормально, выделяемая организмом теплота должна полностью отводиться в окружающую среду. Нарушение теплового баланса может привести к перегреву либо к переохлаждению организма и как следствие к потере трудоспособности, быстрой утомляемости, потери сознания и тепловой смерти.

    Также теплоизлучение людей оказывает термическую нагрузку на здание: если один офисный работник излучает тепло, эквивалентное мощности около 120 Вт, то восемь человек – это источник тепла мощностью 1000 Вт (мощность обычного комнатного электрокамина), следовательно, чем больше работников находится в помещении, тем большую термическую нагрузку оно испытывает.

    Электроприборы

    Компьютеры, принтеры, копировальные аппараты и другая оргтехника – это неотъемлемая принадлежность современного учреждения, и все они увеличивают тепловую нагрузку на помещение (более подробно вопрос о теплоизлучении таких приборов рассматривается в главе, посвященной физическим процессам, относящимся к кондиционированию воздуха). Например, тепла, излучаемого одним копировальным аппаратом, достаточно, чтобы нагреть зимой ванную комнату или любое другое помещение небольшой площадью. Однако, основная проблема состоит в том, что этот аппарат излучает тепло и летом.

    Осветительные приборы

    Если поднести руку к электрической лампе, станет очевидным, какое количество тепла она излучает. Обычный европейский офис испытывает приток тепла от осветительных приборов, составляющий от 15 до 25 Вт на 1 кв. метр площади помещения – независимо от того, хотим мы этого или нет. Во многих случаях такого притока тепла хватило бы для обогрева помещения только за счет источников света!

    Вентиляция

    Для поддержания параметров микроклимата на уровне, необходимом для обеспечения комфортности и жизнедеятельности, применяют вентиляцию помещений, где человек проводит свое время. Система вентиляции, в которой перемещение воздушных масс осуществляется из-за возникающей разницы давлений снаружи и внутри здания, называется естественной вентиляцией. К сожалению, если температура наружного воздуха составляет, скажем, 30 градусов, то при естественной вентиляции такой же будет и температура подаваемого в помещение воздуха. Именно по этому допустимые параметры микроклимата обеспечиваются системами вентиляции и отопления, а оптимальные – системами кондиционирования.

    Теплоемкость современных строительных материалов

    Старые строительные материалы обладали свойством запасать большое количество тепла. Причина этого кроется в теплоемкости строительных материалов, использовавшихся в прежние времена. Летом теплоизлучение солнца в значительной степени поглощалось стенами, и внутренняя температура оставалась низкой, а зимой, запасенное в стенах тепло передавалось внутреннему пространству, нагревая воздух. Именно по этому в старых церквях летом всегда прохладнее, чем на улице, а зимой – теплее.

    Большинство современных строительных материалов не обладает этими свойствами. Они обеспечивают хорошую теплоизоляцию, но не способны запасать тепло в значительных количествах. Поэтому тепло, генерируемое внутри здания, быстро нагревает воздух в помещениях – в противоположность медленному изменению температуры, характерному для зданий старой постройки. Это еще одна причина, делающая столь необходимым применение систем кондиционирования в современных зданиях.

    Основы науки о кондиционировании

    Применение искусственного холода известно давно. Для этого вначале использовали лед и снег, а в 17 веке применили смеси льда и соли. Это позволило получать температуры ниже нуля. В середине 19 века появились промышленные холодильные установки.

    Теплота, по определению - это энергия, перенос которой обусловлен разностью температур; следовательно, для обеспечения охлаждения объекта (объема) необходимо создать из него отток тепла и поддерживать его при температуре ниже температуры окружающей среды. Существует много способов, позволяющих сделать это; некоторые из них заключаются всего лишь в перемещении объекта во времени и пространстве, как, например, при сохранении зимнего льда для последующего использования его летом. В других методах могут использоваться естественные источники холода, такие, как колодезная вода, охлаждение воздуха при испарении и холодный воздух из глубоких карстовых пещер или с ледников. В большинстве случаев, однако, источником холода являются механические или химические процессы.

    Охлаждение с помощью воды

    Если взять 1 л. воды, находящейся в закрытом сосуде и имеющей температуру 0°C и поместить ее в замкнутое пространство с начальной температурой воздуха 25°C, то через некоторое время тепло от воздуха начнет переходить к воде. В помещении станет прохладней. Температура воды будет увеличиваться на 1°C при передаче каждых 4,18 кДж (1 ккал) от воздуха к воде. Таким образом, по мере понижения температуры воздуха, температура воды повысится. Скоро эти два значения температуры станут равными, и теплообмен будет невозможен.

    Недостатки такого метода охлаждения.

    • невозможность получить температуру воздуха ниже температуры воды
    • охлаждение не может быть непрерывным
    • невозможно регулировать температуру воздуха, то есть остановить процесс на нужном показателе
    • для достижения непрерывного охлаждения воду необходимо постоянно охлаждать и снова подавать в теплообменник

    В кондиционерах некоторых типов такой метод находит применение.

    Охлаждение с помощью льда

    Если в качестве охладителя вместо воды использовать 1 кг льда при температуре 0°C, то температура льда не изменится при поглощении тепла из воздуха. Вместо этого будет происходить переход льда из твердого в жидкое состояние, при этом температура останется равной нулю. Тепло, поглощенное льдом, будет выводиться из помещения вместе с образовавшейся водой по дренажной системе, процесс охлаждения будет непрерывным до тех пор, пока весь лед не растает.

    Недостатки такого метода охлаждения:

    • невозможность добиться низких температур
    • необходимость постоянной замены льда
    • степень охлаждения трудно контролировать, следовательно трудно поддерживать заданную температуру

    Механические холодильные машины

    Холодильные машины представляют собой замкнутую систему, заполненную рабочим телом. Рабочее тело, циркулирующее в холодильной машине, отнимает тепло от охлаждаемой среды и, совершив круговой процесс, возвращается в первоначальное состояние. Это позволяет осуществлять непрерывное охлаждение с помощью одного и того же количества рабочего тела.

    Рабочее тело, циркулирующее в холодильной машине и совершающее обратимый круговой процесс, называется холодильным агентом.

    Охлаждение жидким хладагентом

    Прежде чем рассматривать свойства хладагентов, остановимся на основных требованиях, предъявляемых к ним. Требования подразделяются на следующие группы:

    • экологические – озонобезопасность, низкий потенциал глобального потепления, негорючесть, нетоксичность
    • термодинамические – большая объемная холодопроизводительность максимальная приближенность к заменяемым хладагентам
    • эксплуатационные – термохимическая стабильность, химическая совместимость с материалами, негорючесть и невзрывоопасность, незначительная текучесть, отсутствие запаха, цвет и т.д.
    • экономические – наличие производства, доступные (низкие цены)

    Хладагенты, отвечающие перечисленным требованиям, найти практически невозможно, поэтому в каждом отдельном случае выбирают хладагент с учетом конкретных условий работы холодильной машины, и предпочтение отдают тем, которые удовлетворяют принципиальным и определяющим требованиям.

    Хотя в конкретных холодильных устройствах могут использоваться самые разнообразные летучие жидкости, некоторые специфические требования сужают количество хладагентов до одной-двух жидкостей, пригодных для широкого практического использования. Эти жидкости должны быть неядовитыми, негорючими, не вступать в химическое взаимодействие со смазкой, иметь высокую теплоту испарения, подходящие критическую температуру и температурную зависимость давления насыщенных паров, малый удельный объем. Наиболее употребляемыми хладагентами являются воздух, вода, аммиак, углекислота, хлористый метил, сернистый ангидрид и различные фреоны.

    Главным свойством хладагента является то, что при нормальном давлении (1атм) температура его кипения ниже, чем температура окружающей среды, Поэтому, как только хладагент попадает в помещение, он тут же начинает испаряться.

    Согласно физическим законам превращение жидкости в газ (изменение фазы вещества) требует большого количества энергии (тепла). Такое изменение состояния сопровождается поглощением тепла без изменения температуры вещества. С подобным явлением мы сталкиваемся, когда на руку попадает летучая жидкость (например, эфир). Поскольку такое вещество имеет низкую температуру кипения, оно моментально испаряется, что вызывает ощущение холода: путем испарения тепло отводится от руки.

    Аналогично этому при испарении жидкого хладагента из воздуха в помещении отводится максимально возможное количество тепла. Следовательно, эффективного охлаждения воздуха можно добиться за счет испарения хладагента с последующим отводом его из помещения.

    Поскольку температура кипения хладагента значительно ниже температуры воздуха в помещении (например, для хладагента типа R –134a она составляет –26,4 градуса) при испарении он моментально отбирает тепло у воздуха через стенки контейнера, в котором находится. Это тепло выводится из помещения вместе с парами хладагента, поэтому температура жидкости остается постоянной, а процесс охлаждения длится до тех пор, пока весь жидкий хладагент не испарится.

    Управление температурой испарения

    Температурой, при которой происходит кипение жидкости в испарителе, можно управлять, регулируя давление пара над жидкостью. Например, если трубка, отводящая газообразный хладагент, снабжена ручным вентилем, и он частично перекрыт, пар не может свободно выходить из испарителя. Следовательно, регулируя с помощью вентиля скорость вытекания пара, можно управлять давлением в испарителе и, таким образом, добиться нужной температуры испарения в пределах от точки кипения хладагента (-26,4 градусов для хладагента R-134a) до комнатной температуры.

    Поддержание условий для непрерывного испарения

    Для непрерывного испарения жидкости необходимо постоянно подавать в испаритель новые порции жидкости, чтобы количество хладагента оставалось постоянным. Чтобы этого добиться, можно применить устройство, называемое поплавковым вентилем. Основная задача этого устройства состоит в том, чтобы поддерживать постоянный уровень жидкого хладагента в испарителе: жидкость поступает в испаритель с точно такой же скоростью, с которой понижается ее уровень за счет отвода пара из испарителя.

    Устройство, регулирующее поступление жидкого хладагента в испаритель (вроде поплавкового вентиля), называется "системой управления расхода хладагента".

    Рециркуляция хладагента

    Неразумно выбрасывать газообразный хладагент в атмосферу, поэтому из соображений удобства и экономии, его следует собирать и повторно использовать. При этом в испаритель хладагент должен поступать в жидком состоянии, чтобы, испаряясь, снова охладить нагревшийся воздух. Для этого газообразный хладагент, отводимый из испарителя, должен быть снова переведен в жидкое состояние.

    Повторная конденсация хладагента – наиболее простой способ. Для этого у газообразного хладагента нужно отобрать тепло и передать его другому веществу. В этом качестве обычно используется воздух или вода. Естественно, что они должны иметь температуру ниже, чем температура конденсации хладагента. Чтобы газообразный хладагент, имеющий температуру 10 градусов, сконденсировался в жидкость, нужно обеспечить его контакт с воздухом или водой более низкой температуры.

    Если такое возможно, нет необходимости в какой-либо механической системе охлаждения. Если же нет, то единственный способ добиться конденсации хладагента – повысить его давление до такого уровня, чтобы температура перехода в жидкое состояние оказалась выше, чем температура воздуха или воды. Для этого необходим компрессор. Компрессор производит сжатие газообразного хладагента и под высоким давлением нагретый хладагент поступает в конденсатор. Находящееся в хладагенте масло используется для смазки механических деталей компрессора.

    "Компрессором" называется насос, используемый для повышения давления газообразного хладагента. Он предназначен для осуществления следующих процессов: всасывания паров хладагента из испарителя, адиабатического их сжатия и нагнетания в конденсатор

    "Конденсатором" называется контейнер, в котором происходит конденсация жидкого хладагента, он предназначен для осуществления теплообмена между хладагентом и окружающей средой. В процессе теплообмена от хладагента отводится энергия, которая передается охлаждающей среде, а сам хладагент охлаждается и конденсируется. Охлаждающая же среда нагревается. В зависимости от вида охлаждающей среды различают конденсаторы с воздушным и водяным охлаждением.

    При применении компрессора, ручной вентиль, показанный на рисунках В и С, больше не нужен. Для управления давлением в испарителе достаточно компрессора и поплавкового вентиля.

    Улучшение теплообмена

    Теплообменники, также называемые испарителями – необходимая деталь для превращения теплого воздуха в комнате в прохладный. Этот важный компонент определяет количество холодного воздуха и эффективность работы кондиционера. Конструкция испарителя зависит от вида охлаждающей среды, необходимой холодопроизводительности, свойств самого хладагента и от температурного напора между средами.

    Результативность теплообмена зависит от площади поверхности испарителя и конденсатора, в которых он происходит. Если обычный сосуд заменить змеевиком, а к змеевику добавить плоские ребра, то теплообмен значительно повысится, поскольку площадь, поверхности станет больше.

    Другой важный фактор – объем воздуха, принимающего участие в теплообмене. При применении электрического вентилятора процесс станет еще более продуктивным.

    работу, сопровождаемую выделением тепла. Поэтому тепло, которое нужно отвести от конденсируемого вещества, складывается из сумм тепла, поглощенного в испарителе, и тепла, связанного с механической работой компрессора. По этой причине конденсатор обычно имеет большие размеры, чем испаритель.

    Терморегулирующий вентиль

    Часто вместо поплавкового применяется терморегулирующий вентиль (ТРВ), схематически изображенный на рис. F. Он обеспечивает заполнение испарителя жидким хладагентом в оптимальных пределах и создает перепад давления. Переполнение испарителя может привести к попаданию хладагента в компрессор и поломке, а его малое заполнение снижает эффективность работы испарителя. Степень заполнения испарителя зависит от температуры перегрева пара на выходе из испарителя. ТРВ производит сравнение температуры пара на выходе с заданным параметром и в зависимости от величины расхождения показателей увеличивает или уменьшает поток жидкого хладагента в испаритель.

    Рабочий цикл

    После того, как хладагент, попавший из испарителя в цилиндр, полностью сжижен (сконденсирован), его можно снова подавать в испаритель. Контейнер, скапливающий сжиженный хладагент называется «приемным резервуаром» или «ресивером».

    По материалам сайта: http://www.mkc-ltd.ru