Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член

Обеспечение работоспособности систем кондиционирования воздуха при низких температурах наружного воздуха

В. П. Харитонов, доктор техн. наук, профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана, лектор мастер-класса АВОК

 

Уже на стадии проектирования системы кондиционирования воздуха ответственного объекта (командные пункты, серверные, студии звукозаписи, помещения с большим количеством людей и оборудования) можно избежать всех проблем, связанных с низкими температурами наружного воздуха. Достаточно применить для охлаждения конденсатора систему с гидравлической развязкой: дополнительный контур с незамерзающей жидкостью, наружный теплообменник типа воздух/антифриз, насосная станция и холодильная машина с конденсатором жидкостного охлаждения.

Международный опыт проектирования и эксплуатации таких систем достаточно велик, чтобы можно было гарантированно применить их для круглогодичного кондиционирования воздуха в любом суровом климате. Более того, все ведущие фирмы – производители систем кондиционирования имеют в своих производственных программах необходимое оборудование и инженерное обеспечение. Однако системы кондиционирования с воздушным охлаждением конденсатора много проще, дешевле и экономичнее в эксплуатации. К сожалению, круглогодичное использование их в районах с континентальным климатом, суровыми зимами затруднено рядом порой неразрешимых проблем.

Электронный контроллер для регулирования скорости однофазных вентиляторов Fasec 33

Рисунок 1.

Электронный контроллер для регулирования скорости однофазных вентиляторов Fasec 33

Проблемы, требующие внимания

При использовании системы кондиционирования воздуха в режиме охлаждения в зимнее время мы встречаемся с проблемами пуска компрессора, сохранения работоспособности работающей системы и обеспечения дренажа.

При использовании системы кондиционирования воздуха в режиме отопления, кроме указанных проблем, прежде всего, следует рассмотреть экономический аспект, целесообразность использования кондиционера в этом режиме, а также проблему оттаивания наружного теплообменника.

Температура, °С -30 -20 -10 0 +10 +20 +30
Давление, Р*10-5 Па 1,641 2,456 3,552 4,983 6,811 9,097 11,908

Основная проблема при эксплуатации кондиционера в режиме охлаждения

Главная проблема, возникающая при низких температурах наружного воздуха, заключается в циркуляции жидкого хладагента. Движение жидкого холодильного агента из конденсатора в испаритель холодильной машины происходит естественным путем под действием разности давлений: давления конденсации (высокое давление) и давления кипения (низкое давление). Давление кипения зависит от температуры кипения, которое определяется конкретными условиями применения холодильной машины. Для кондиционеров температура кипения обычно находится вблизи или выше 0 °С, т. к. при отрицательных температурах неизбежно вымораживание на поверхности испарителя атмосферной влаги, и возникают связанные с этим проблемы оттаивания.

В таблице приведены значения абсолютного давления насыщенных паров хладона R22 [1]. Аналогичные зависимости характерны для всех хладагентов.

Давление конденсации зависит от многих факторов:

– количества и температуры паров хладагента, поступающих в конденсатор из компрессора;

– размеров, конструкции и состояния поверхности конденсатора, степени его заполнения жидким хладагентом, наличия в конденсаторе неконденсируемых газов;

– параметров наружного воздуха, скорости и направления ветра, наличия атмосферных осадков;

– интенсивности работы вентилятора конденсатора, скорости движения воздуха.

Температура конденсации хладагента всегда выше температуры наружного воздуха. При высоких температурах наружного воздуха давление конденсации высоко и чем выше оно, тем менее экономичен процесс кондиционирования.

Труднейшая задача создания кондиционеров, способных работать в районах с жарким климатом при температурах наружного воздуха свыше 40 °С, была успешно решена применением высокоэффективных конденсаторов и вентиляторов. Разность между температурой наружного воздуха и температурой конденсации доведена до экономически обоснованного минимума. Именно такие кондиционеры применяем и мы – как на юге страны, так и в районах с суровыми зимами.

Однако при отрицательных температурах наружного воздуха давление конденсации становится ниже давления кипения и нормальный процесс циркуляции хлад-агента нарушается. Как правило, фирмы-изготовители указывают предельно допустимую температуру наружного воздуха –5 °С.

Самые последние разработки фирм – изготовителей кондиционеров для стран с холодным климатом позволили расширить температурный диапазон работы в режиме охлаждения до –15 °С [2, 3]. Это удалось сделать за счет применения компрессоров с плавным регулированием производительности (инверторный привод) и многоскоростных вентиляторов конденсатора. К сожалению, нам требуются более «морозоустойчивые» кондиционеры.

Способы регулирования давления конденсации

1. Изменение частоты вращения вентилятора [4–7].

Известно, что коэффициент теплоотдачи в спокойном воздухе равен 4–5 Вт/(м2 • К), а при интенсивном обдуве воздухом теплопередающих поверхностей он может достигать 30–40 Вт/(м2 • К), то есть быть на порядок выше. Именно это обстоятельство используют для регулирования давления конденсации: если давление конденсации падает ниже оптимального значения из-за низкой температуры наружного воздуха, следует уменьшить эффективность теплопередачи, уменьшить скорость обдува конденсатора наружным воздухом, снизив частоту вращения вентилятора.

Управление частотой вращения вентилятора осуществляют с помощью специальных контроллеров, которые преобразуют показания датчика давления конденсации в сигнал управления. Поскольку давление конденсации связано с температурой конденсации, то датчиком может служить и температурный датчик. Правда, возникают трудности выбора места для его размещения. Рекомендации по установке датчиков и контроллера приводятся в соответствующих инструкциях. Способ широко применяется на практике.

2. Изменение степени заполнения конденсатора жидким хладагентом [8–10].

Снизить интенсивность теплопередачи в конденсаторе можно сократив его эффективную поверхность, например, увеличив количество жидкого хладагента в нем. Для реализации способа необходимо внести конструктивные изменения в наружный блок: установить ресивер или заменить имеющийся на ресивер большей емкости, установить на жидкостной линии регулятор давления «до себя» между конденсатором и ресивером, а также оснастить, в некоторых случаях, холодильную машину другими приборами автоматики и линией перепуска паров хладагента.

При снижении давления конденсации ниже установленного значения регулятор давления ограничивает поступление жидкого хладагента из конденсатора в испаритель, в результате чего конденсатор постепенно заполняется жидким хладагентом и часть теплообменной поверхности исключается из процесса теплопередачи.

При высоком давлении конденсации регулятор полностью открыт, практически весь запас жидкого хладагента размещается в ресивере. Очень важно правильно рассчитать требуемое количество хладагента, достаточное и безопасное для работы холодильной машины в летнее и в зимнее время.

Для реализации способа ведущие фирмы-производители разработали приборы автоматики и инструкции по применению, способ успешно используется в торгово-холодильном оборудовании, но в бытовых кондиционерах пока не получил широкого применения.

Принципиальная схема технологии «Полюс»

Рисунок 2.

Принципиальная схема технологии «Полюс»

3. Изменение степени заполнения конденсатора неконденсируемыми газами [11].

В руководствах по эксплуатации холодильных машин большое внимание уделено неконденсируемым газам, которые могли остаться в системе при монтаже, выделяться в процессе эксплуатации с внутренних поверхностей системы или проникнуть в нее через неплотности линии низкого давления, если машина работала, хотя бы кратковременно, под вакуумом. Инструкции предписывают процедуру диагностики и удаления этих газов, как правило, продувкой хладагентом. Делать это необходимо, поскольку неконденсируемые газы накапливаются в верхней части конденсатора, постепенно снижая экономичность работы и эффективность теплопередачи.

Один из способов регулирования давления в конденсаторе заключается в принудительном вводе в конденсатор такого количества неконденсируемого газа (азота, гелия или др.), которое было бы достаточно для нормальной циркуляции жидкого хладагента. Система автоматики должна обеспечить удаление неконденсируемых газов из конденсатора в летнее время и ввод его в конденсатор при низких температурах наружного воздуха.

Наиболее распространенным способом регулирования давления конденсации в зимнее время в нашей стране в кондиционерах небольшой производительности является первый из перечисленных способов. Его реализация осуществляется с помощью электронных пропорциональных регуляторов скорости вентиляторов, которые выпускаются многими фирмами для различных применений. Это сложная современная техника, и грамотное применение ее требует профессиональных знаний и навыков. Именно поэтому крупные московские фирмы сами осуществляют предпродажную установку и настройку низкотемпературных комплектов.

Электронный контроллер является лишь одним элементом низкотемпературного комплекта, состав и особенности применения которого определяет фирма-разработчик.

Сегодня технология обеспечения работоспособности кондиционеров в зимних условиях является, в определенном смысле, закрытой. Фирмы не готовы раскрыть ее в деталях. И тому есть объективные причины. Ассортимент кондиционеров очень разнообразен: сплиты и мульти-сплиты, инверторы и традиционные модели, только охлаждение и теплонасосное исполнение, различные хладагенты – одно- и многокомпонентные составы, различные смазочные масла, капиллярная трубка или терморегулирующий вентиль, размеры конденсатора, параметры питающей электросети и их стабильность, компоновка и аэродинамика наружного блока, наличие вспомогательных аппаратов (ресиверы, теплообменники), типы и число вентиляторов и т. д.

Кроме того, важны условия экс-плуатации, например, насколько фактическая нагрузка отличается от номинальной, как сильно влияет ветер на температурный режим наружного блока, имеются ли в конденсаторе и в каком количестве неконденсируемые газы, каково фактическое количество хладагента в системе.

И для каждой модели требуется основательная и всесторонняя проверка. Опыт показал, что далеко не все модели могут быть оснащены низкотемпературными комплектами. И не все модели, оснащенные низкотемпературным комплектом, способны надежно и экономично работать при температурах ниже –20 °С. Специалисты убедились: чем проще и бесхитростнее кондиционер, тем легче адаптировать его к зимним условиям, и наоборот, высокоинтеллектуальные системы не допускают насилия, и в русскую зиму им приходится плохо.

Фото контейнера для VRVI-II RXQ10P7W1B в Москве на набережной Тараса Шевченко (на заднем плане обслуживаемое высотное здание)

Рисунок 3.

Фото контейнера для VRVI-II RXQ10P7W1B в Москве на набережной Тараса Шевченко (на заднем плане обслуживаемое высотное здание)

Холодный запуск компрессора

Запуск любого механизма зимой при вводе в эксплуатацию или после остановки на морозе на не-сколько часов приводит к повышенному износу и повышенным пусковым моментам. Холодный запуск холодильного компрессора особенно нежелателен.

Как известно, многие хладагенты обладают ограниченной растворимостью в смазочных маслах в зависимости от температуры. Например, при низких температурах в маслофреоновом растворе R22 + масло ХФ–22С фаза, богатая маслом, находится вверху, а обогащенная фреоном – внизу [12]. Понятно, что в переохлажденном компрессоре смазка рабочих поверхностей неудовлетворительна.

Вторым важным обстоятельством является температурная зависимость вязкости маслофреонового раствора [12]: коэффициент кинематической вязкости 75 % раствора R22 + масло ХФ–22–24 возрастает с 6 • 10–4 м2/с при 30 °С до 28 • 10–4 м2/с при –20 °С, то есть почти в 5 раз (!). Конечно, это приводит к повышенным пусковым моментам.

Здесь уместно отметить, что инверторные компрессоры, которые пришли на смену обычным компрессорам типа вкл./выкл., обладают низким пусковым моментом. Их запуск в холодном состоянии особенно проблематичен.

К счастью, избежать холодного запуска компрессора не трудно и недорого: компрессор, как правило, закрыт теплоизолирующим кожухом и снабжен встроенным электрообогревателем картера. Если же этого нет, то установить обогреватель картера мощностью в несколько десятков ватт можно при монтаже. Бандажные электрообогреватели картера иногда снабжают термореле, иногда включают в сеть через нормально замкнутый вспомогательный контакт магнитного пускателя компрессора. Труднее оснастить компрессор бандажным обогревателем, если питание к кондиционеру подводится к внутреннему блоку: приходится прокладывать дополнительный трехжильный кабель.

Следуя инструкции, необходимо включать компрессор после длительной стоянки или при вводе в эксплуатацию не ранее, чем через 6–12 ч после подключения кондиционера к сети.

Опыт показывает, что проблема запуска компрессора в зимнее время является определяющей: если компрессор запускается, то все остальные проблемы решаются сравнительно легко.

Особенности процесса дросселирования при низких температурах

Как правило, кондиционеры оснащены либо капиллярной трубкой, либо терморегулирующим вентилем с внутренним или с внешним уравниванием.

Капиллярная трубка представляет собой действительно простую капиллярную трубку, внутренний диаметр и длина которой подбирается на заводе персонально для каждой модели кондиционера, причем, для высокотемпературного режима работы.

Расход хладагента через капиллярную трубку зависит от разности давлений конденсации и кипения, от температуры жидкого хладагента на входе в капиллярную трубку, от свойств хладагента. Важно помнить, что при дросселировании происходит парообразование, и относительное паросодержание в конце дросселирования зависит от температуры переохлаждения.

Обратимся к цифрам. Плотность жидкого хладагента R22 при температуре 30 °С равна 1,17 кг/л, а при –30 °С равна 1,38 кг/л; разница превышает 17 %.

Но гораздо большее значение имеет величина относительного паросодержания в конце дросселирования: оно изменяется в зависимости от температуры переохлаждения от 0,15 (температура переохлаждения 25 °С) до 0 (температура переохлаждения равна или ниже температуры кипения).

В первом случае (обычный режим) удельный объем R22 на выходе из капиллярной трубки приблизительно равен 8 л/кг, во втором случае (работа при низких температурах наружного воздуха, –30 °С) он равен только 0,72 л/кг, то есть разница в 11 раз! Пропускная способность капиллярной трубки меняется очень сильно, и это обстоятельство отрицательно сказывается как на пуске холодильной машины, так и на ее работе.

Все сказанное относится и к терморегулирующим вентилям. Иногда ошибочно считают, что назначение терморегулирующего вентиля (ТРВ) соответствует его названию. На самом деле, назначение ТРВ заключается в регулировании заполнения испарителя жидким хладагентом по величине перегрева паров на выходе из испарителя. Пропускная способность ТРВ также зависит от температуры переохлаждения, и характеристики его работы в этих условиях резко отличаются от расчетных.

Таким образом, особенности процесса дросселирования переохлажденного жидкого хладагента могут негативно сказаться как на пуске, так и на работе холодильной машины. Однако способы борьбы с этим явлением в широкой печати не обсуждались.

Изменение температуры в контейнере

Рисунок 4 (подробнее)

 

Изменение температуры в контейнере

Миграция хладагента внутри выключенного кондиционера

В условиях нормальной эксплуатации кондиционера часть жидкого хладагента находится в испарителе внутреннего блока, часть в наружном блоке. Количество заправляемого хладагента строго лимитировано, с точностью до граммов, особенно если в кондиционере используется капиллярная трубка. При остановке компрессора в летнее время перерас-пределение хладагента в системе незначительно: конденсатор остается с расчетным количеством жидкого хладагента.

В зимнее время ситуация меняется: с остановкой компрессора хлад-агент продолжает кипеть в испарителе, а пары конденсируются в трубках, в аппаратах и в картере компрессора – везде, где температура ниже температуры испарителя. Трудно предсказать, где соберется основная часть хладагента – это зависит от погодных условий, места расположения и компоновки наружного блока, от многих факторов.

Если даже компрессор включился в работу, то выход кондиционера на приемлемый режим может быть затруднен нестандартным распределением хладагента в системе.

Новые технологии

Все упомянутые способы регулирования давления конденсации не являются гарантией обеспечения работоспособности кондиционера в режиме охлаждения при низких температурах наружного воздуха. К тому же, на современных интеллектуальных системах и на всех мультисистемах применить эти способы в процессе монтажа и экс-плуатации не представляется возможным.

Принципиально иной подход к проблеме [13, 14] позволил разработать универсальную технологию, пригодную для любой модели компрессорно-конденсаторного агрегата с воздушным охлаждением при любой температуре наружного воздуха, до –50 °С. Более того, эта технология позволяет эксплуатировать систему кондиционирования воздуха при оптимальном давлении конденсации.

Технология основана на использовании тепла конденсации для поддержания оптимальной температуры наружного воздуха, разумеется, в ближайшем окружении наружного блока. Согласно патенту, при температуре наружного воздуха ниже 5 °С регулируют температуру охлаждения конденсатора, при этом выходящий из конденсатора отработанный воздух частично или полностью перепускают на вход в конденсатор и смешивают с наружным воздухом.

Для реализации способа наружный блок помещается в контейнер специальной конструкции, которая позволяет обеспечить эффективное охлаждение конденсатора летом и термостатирование среды внутри контейнера зимой. Никакого вмешательства в конструкцию кондиционера не требуется – этим и объясняется универсальность технологии. Особенно она эффективна на крупных кондиционерах, холодопроизводительность которых превышает 10 кВт.

Контейнер оснащен жалюзи с электроприводом, которые управляются термостатом с датчиком, размещенным внутри контейнера. При положительных температурах наружного воздуха жалюзи полностью открыты, условия охлаждения конденсатора соответствуют нормативным. При снижении температуры воздуха на выходе из конденсатора ниже установ-ленного значения электропривод прикрывает жалюзи, заставляя часть горячего воздуха, выходящего из конденсатора, поступать на вход в конденсатор и смешиваться с наружным воздухом. При отключении кондиционера жалюзи закрываются, а температура внутри контейнера поддерживается не ниже 0 °С с помощью электронагревателя.

Примером удачного использования данной технологии можно назвать систему кондиционирования воздуха серверных в административном высотном здании СИТИ 2000 в Москве с применением VRVIII RXQ10P7W1B. Наружный блок размещен на расстоянии 120 м от кондиционируемых помещений, на набережной реки. Для эксплуатационных наблюдений были применены регистраторы температуры, которые фиксировали температуры внутри и снаружи контейнера каждые 5 мин в течение пяти месяцев.

На протяжении всего периода наблюдений температура воздуха внутри контейнера поддерживалась стабильно в пределах 20–25 °С.

На рис. 4 показана динамика температурного режима внутри контейнера при выключенной на один час системе кондиционирования: при отрицательной температуре наружного воздуха (–5 °С) температура снижалась в течение 40 мин до 4,5 °С, после чего автоматически включился воздухонагреватель, и температура вскоре стабилизировалась на прежнем уровне.

В зависимости от конкретных условий технология может применяться в различных исполнениях, учитывающих местные климатические условия, место размещения и конструкцию наружных блоков, их количество и размеры, способ регулирования («on/off» или пропорциональное регулирование).

Рекомендации по применению данной технологии, сведения о системе управления, технико-экономические характеристики, опыт применения входят в программу мастер-класса по данной теме.

Литература

1. Богданов С. Н., Иванов О. П., Куприянова А. В. Холодильная техника. Свойства веществ: Справочник. – Изд. 2-е. – Л. : Машиностроение, 1976.

2. DAIKIN, technical data, EEDE06-1/3.

3. Мультизональная система кондиционирования зданий Airstage V cерии. Материалы FUJITSU GENERAL Ltd.

4. Технические материалы ДАИЧИ. Низкотемпературный комплект «Иней» (–30) и «Айсберг» (–40).

5. Корх Л. Н. Зима. Кондиционер. Проблемы и решения // Мир климата. – № 9.

6. Ананьев В. Адаптация кондиционеров DELONGHI к низким температурам наружного воздуха. http://www.euro-climat.ru/ 09.06.2003.

7. Литвинчук Г. Г. Работа современной сплит-системы в условиях низких температур // AВОК. – 1998. – № 4. http://www.norris.ru/nrsp/page401ptS.html.

8. Danfoss A/S (RC-CMS/MWA), 03 – 2005. KV– pressure regulators. www.danfoss.com.

9. Шишов В. В. Регулирование давления конденсации в холодильных машинах // Холодильная техника. – 2005. – № 4.

10. Регулятор высокого давления HP HeadMaster (http://www.alcocontrols.com). Перевод технического департамента фирмы МОРЕНА. 1999: http://www.morena.com.ru/NEWS/hpmaster.shtml.

11. Шишов В. В., Ревков А. В. К вопросу об «адаптации» кондиционеров к условиям российского климата // Холодильная техника. – 1998. – № 6.

12. Бадылькес И. С. Свойства холодильных агентов. ПП. – М., 1974.

13. Харитонов Б. П. Способ работы кондиционера и кондиционер. Патент RU 2185574, приоритет от 09.07.2001.

14. VRV, работаем при низких температурах // Мир климата. – № 25.

 

Заявки на участие в мастер-классе присылайте на e-mail: onegina@abok.ru.

Справки по тел.: (495) 984-7792.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №3'2007

распечатать статью распечатать статью


Статьи по теме

Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте