Кондиционированием воздуха называется поддержание его состояния внутри помещения в соответствии с определенным набором параметров (температура, влажность, содержание загрязняющих примесей и т. д. ) для создания наиболее благоприятных (комфортных) условий производства или для улучшения самочувствия находящихся в помещении людей.
Ощущение комфорта, будучи в определенной степени субъективным, тем не менее имеет объективные составляющие, основными из которых являются:
температура воздуха в помещении;
влажность воздуха в помещении;
направление и скорость потока воздуха;
химический состав воздуха;
уровень шума;
уровень освещенности, напряженности электромагнитных полей.

Современные системы кондиционирования воздуха позволяют обеспечить контроль параметров 1-4, что же касается уровня шума, то вклад работающих элементов этих систем в общий уровень бытового или производственного шума весьма невелик.
Комфортные условия воздушной среды зависят от интенсивности совершаемого человеком труда и от его одежды. В зависимости от состояния организма (сон. отдых, умственная или физическая работа) и параметров окружающей среды человек в течение часа выделяет 330…1050 кДж теплоты, 40…420 г влаги и 18…36 л углекислого газа.
Считается, что при небольшой физической нагрузке (ходьба в помещении, легкий труд) комфортная температура в помещении в зимнее время составляет порядка 21 °С (±2 еС), а в летнее время — порядка 24 °С (±2 °С).
Оптимальным диапазоном относительной влажности воздуха считается 30…60%. Избыточная влажность, особенно в сочетании с высокой температурой, ухудшает теплообмен человека с окружающей средой, что приводит к перегреву организма. При низком влагосодержании возрастает отдача тепла за счет интенсивного испарения влаги с поверхности тела, высыхают слизистые оболочки дыхательных путей, что способствует проникновению болезнетворных микроорганизмов в органы дыхания, восприимчивости организма человека к простуде и другим заболеваниям.
Подвижность воздуха в помещении также влияет на ощущение комфорта. Причиной неприятного самочувствия в плохо вентилируемом помещении объясняется тем, что при отсутствии движения воздуха вокруг человека образуется тонкая неподвижная воздушная оболочка, которая быстро насыщается парами воды, принимает его температуру и уменьшает теплоотдачу.
Если температура окружающей среды ниже температуры тела человека, то с повышением подвижности воздуха потеря тепла человеком возрастает. Для сохранения комфортных условий необходимо либо увеличивать относительную влажность воздуха, уменьшив тем самым испарение, либо увеличить его температуру. При температуре воздуха 23. …24 °С оптимальной является скорость движения воздуха до 0,15 м/с. Кроме того, установлено, что человек более чувствителен не к скорости воздушного потока, а к ее изменениям. Иными словами, имеет значение спектр турбулентных пульсации скорости потока, который для достижения условий комфорта должен быть максимально приближен к естественному спектру атмосферного ветерка. В сухом атмосферном воздухе содержится порядка 20,95% (по объему) кислорода (О; ), который необходим для дыхания, и небольшое количество углекислого газа (СОг), который участвует в регуляции дыхания, кровообращения и газообмена человека. В обычных условиях в состоянии покоя человек поглощает в час около 19л кислорода и выделяет 16л углекислого газа. Избыток и недостаток СОг во вдыхаемом воздухе одинаково вредно отражаются на состоянии организма. Комфортному состоянию соответствует концентрация С0г в пределах 0,04…0,5% (по объему). Жалобы на духоту и нехватку кислорода, отмечаемые даже в помещениях, оснащенных системой кондиционирования воздуха, могут означать неверно организованную организацию притока свежего (наружного) воздуха. Действующими санитарными нормами регламентируется подача в помещение на одного человека 20…60 м3/ч свежего воздуха. Такую интенсивность воздухообмена должна обеспечивать центральная система кондиционирования воздуха в жилом одноквартирном задании (коттедже).

Основные типы кондиционеров

С некоторой долей условности кондиционеры разделяют на бытовые и промышленные. Их отличие не в конструктивном исполнении, а в области применения. К бытовым обычно относят кондиционеры мощностью до 7 кВт, применяемые для небольших помещений площадью 15…80 м2. Промышленные кондиционеры используются для охлаждения больших площадей, например, для централизованного охлаждения целых зданий. Рассмотрение этой категории кондиционеров выходит за рамки данной книги. Также обычно выделяют большой класс кондиционеров, занимающих промежуточное положение между бытовыми и промышленными — полупромышленные кондиционеры. При мощности от 7 до 25 кВт они могут использоваться как в бытовых условиях — коттеджах, многокомнатных квартирах, так и в офисных помещениях, магазинах, на предприятиях и т. д.
Для обозначения основных классов кондиционеров используются английские аббревиатуры:
RAC (Room Air Condition) — бытовые кондиционеры. К этому классу обычно относят все оконные и мобильные кондиционеры, а также сплит-системы настенного и напольно-потолоч-ного типа мощностью до 6 кВт.
РАС (Package Air Condition) — полупромышленные кондиционеры. К этому классу оборудования обычно относят все сплит-системы канального, кассетного, а также напольно-пото-лочного и настенного типа мощностью более 6 кВт.
По конструктивному исполнению все кондиционеры можно разделить на два больших класса: моноблочные — состоящие из одного блока (оконные, мобильные и т. п. ) и сплит-системы — состоящие из двух и более блоков (настенные, канальные, кассетные и т. п. ).

Оконный кондиционер — моноблочный кондиционер, который монтируется в оконный проем или тонкую стену. Мощность оконного кондиционера лежит в интервале 1,5…6 кВт. Достоинства — низкая цена (порядка 280…300 долл. США), несложный монтаж, простота обслуживания и ремонта. Недостатки — более высокий уровень шума по сравнению со сплит-системами, отсутствие возможности выбора места установки, загромождение пространства окна и ухудшение освещенности помещения. Во всем мире, кроме США, оконные кондиционеры постепенно уступают место сплит-системам.

Моноблочный мобильный кондиционер внешне выглядит как небольшая тумба на колесиках. Такие кондиционеры не требуют специального монтажа, необходимо лишь вывести на улицу через форточку или отверстие в стене гибкий шланг (воздуховод) диаметром около 15 см и длиной 1…2 м, по которому удаляется горячий воздух. Недостатком мобильных кондиционеров являются сильный шум при работе (компрессор находится внутри помещения) и высокая цена, сравнимая со стоимостью сплит-системы.
Редкой разновидностью мобильных кондиционеров является мобильная сплит-система, в которой межблочные коммуникации подсоединяются к внутреннему и наружному блокам с помощью разъемных соединений (защелок).

Сплит-системы настенного типа состоят из одного внутреннего блока, размещенного на стене помещения и одного наружного блока, вынесенного на улицу или в другое помещение (чердак, подвал, и т. д. ). Внутренний и наружный блоки связаны трубками контура циркуляции хладагента и электрическими проводами длиной 5…7 м, обеспечивающими подачу напряжения питания и передачу управляющих команд. Трубки и провода прокладывают за стенными панелями, фальш-потолками или закрывают декоративными пластиковыми коробами сечением 40…70 мм. Сплит-системы целым рядом достоинств, среди которых высокая эффективность, низкий уровень шума, свобода выбора места расположения внутреннего блока. В количественном выражении на них приходится около 85% всех продаж сппит-систем в мире.
Одним из основных преимуществ сппит-систем является относительная простота конструкции, позволяющая получить достаточно низкую стоимость кондиционера (порядка 550. …600 долл. США) при несложной его установке.
Сплит-системы настенного типа применяются в жилых и офисных помещениях площадью от 15 до 160 м2. Мощность настенных кондиционеров ограничена (2…7 кВт), т. к. сильная струя холодного воздуха, создаваемая кондиционером большой мощности, —может вызвать неприятные ощущения у пользователя.
Управление работой настенных кондиционеров производится с помощью пульта дистанционного управления (ПДУ), в которых применяются излучатели инфракрасного (ИК) излучения. Приемник излучения находится на внутреннем блоке кондиционера. В корпусе ПДУ находится датчик температуры воздуха в помещении, значение которой передается системе управления, расположенной во внутреннем блоке сплит-сис-темы.

Мультисплит-системы настенного типа имеют от двух до четырех-пяти внутренних блоков настенного типа. Внутренние блоки могут быть разной мощности (от 2 до 5 кВт). Достоинством мультисплит-системы является меньшее, по сравнению с набором обычных сплит-систем, количество наружных блоков, что позволяет экономить место на внешней стене здания и не так сильно портить его внешний вид наружными блоками.
Однако, вопреки распространенному мнению, замена нескольких сплит-систем на одну муль-тисплит-систему не приводит к выигрышу в цене, поскольку при той же стоимости оборудования трудоемкость и стоимость монтажа возрастает в 1,5…2 раза из-за блоее длинных коммуникаций. Кроме того, при выходе из строя наружного блока мультисплит-системы перестают работать все внутренние блоки — с этой точки зрения надежность нескольких сплит-систем выше. Поэтому мультисплит-системы обычно используют только при невозможности размещения нескольких наружных блоков на внешней стене дома.

Сплит-системы напольно-потолочного типа чаще всего используются там, где нет возможности использовать системы настенного типа (стены из стекла) и отсутствует подвесной потолок, например, в магазинах с большой площадью остекления. Нередко один и тот же внутренний блок такой системы может устанавливаться как в напольном, так и в потолочном положении. Системы данного типа позволяют направить сильную струю воздуха вдоль стены или потолка и таким образом обеспечить равномерное распределение температуры в помещении. Существуют модели потолочных блоков, распределяющие воздух сразу по четырем направлениям, причем сила потока регулируется по каждому из направлений.

Сплит-системы колонного типа используют в помещениях большого объема, в которых нельзя размещать блоки на стенах или потолке, например, в театрах, холлах гостиниц, ресторанах. Такие кондиционеры имеют большую холодопроизводительность и создают сильный воздушный поток, который может первоначально подаваться в потолочное пространство, а затем равномерно распределяться на весь объем помещения. Управление работой колонных сплит-систем производится с ПДУ или пульта, расположенного на внутреннем блоке.

Сплит-системы кассетного типа требуют для своей установки наличия подвесного потолка, в который встраивается внутренний блок. Особенностью кассетных блоков является распределение воздуха по четырем направлениям, что обеспечивает равномерный воздухообмен в помещении, а также возможность раздачи воздуха от внутреннего блока через дополнительные вентиляционные решетки. Нижняя часть кассетного кондиционера имеет размер стандартной потолочной плитки — 600 х 600 мм (в системах большой мощности — 1200 х 600 мм) и закрывается декоративной решеткой с распределительными жалюзи. Благодаря этому достигается другое важное преимущество кассетного кондиционера — незаметность.

Сплит-системы канального типа также требуют для своей установки наличия фальш-потолка. Кондиционеры данного вида имеют мощность 12…75 кВт и применяются для кондиционирования большого количества помещений или помещения большого объема, где необходимо совмещение систем вентиляции и кондиционирования воздуха (квартиры, коттеджи, офисы, магазины, рестораны, помещения с технологическим оборудованием и т. д. ). Внутренний блок такой системы, в котором происходит очистка, обогрев или охлаждение воздуха, производит подачу свежего или рециркулированного воздуха по системе вентиляционных каналов. К преимуществам канальных систем относятся скрытость в строительных конструкциях, низкий уровень шума, возможность оптимального воздухораспределения, равномерного по площади помещения, возможность подмеса свежего воздуха, низкая стоимость (в пересчете на 1 кВт холодопроизводительности). Недостатком канальных и кассетных систем является необходимость установки подвесных потолков (30…45 см межпотолочного пространства).

Мультизонапьные сплит-системы (VRF и VRV системы) устанавливают в жилых, офисных и торговых помещениях общим объемом более 600 м3. Они состоят из одного или нескольких наружного и набора внутренних блоков каждый из которых охлаждает или обогревает одно или несколько помещений и может иметь любую из перечисленных выше конструкций. Мультизональные сплит-системы могут комплектоваться внутренними блоками не только любого типа, но и любой мощности. Внутренний блок такой системы может быть удален от наружного на расстояние до 100 м. Наиболее современные разработки позволяют подключить к одному наружному блоку системы до нескольких десятков внутренних блоков. Это позволяет разместить наружные блоки на крыше и полностью сохранить архитектурный облик здания.
Запатентованное разработчиком данной системы — компанией Daikin — название VRV (Variable Refrigerant Volume) переводится как «переменный объем хладагента» и отражает главное отличие VRV от других систем кондиционирования — использование общей системы трубопроводов. В системах VRV все блоки (до 3 наружных и до 30 внутренних) подключаются к единой трассе из двух или трех медных труб. Каждый внутренний блок имеет электронный терморегулирующий вентиль, регулирующий объем поступающего из общей трассы хладагента в зависимости от тепловой нагрузки на этот блок. Благодаря этому система VRV более ровно поддерживает заданную температуру воздуха, без перепадов, свойственных обычным кондиционерам, в которых поддержание температуры происходит путем периодического включения и выключения компрессора.
В настоящее время такие системы производят фирмы Mitsubishi Heavy. Mitsubishi Electric, Sanyo, Toshiba, Fujitsu General и другие. Поскольку название VRV является зарегистрированной торговой маркой компании Daikin, другими производителями используется название VRF (Variable Refrigerant Flow) — «переменный расход хладагента», что имеет одинаковый смысл с VRV. Из маркетинговых соображений ряд производителей дал своим VRF-системам собственные названия (например, у фирмы Sanyo система называется ЕСО-Multi, у фирмы Toshiba — система MMS).

Центральный кондиционер представляет собой систему очистки, предварительного нагрева или охлаждения уличного воздуха, который раздается по помещениям с помощью системы воздуховодов. Как правило, для охлаждения воздуха в центральном кондиционере используется чиллер — охлаждаемый водой теплообменник. Центральные кондиционеры используются в больших офисных зданиях, гостиницах, музеях и т. д.

Фанкойл — по внешнему виду и устройству фанкойл схож с внутренним блоком сплит-системы. Разница состоит в том, что «наружным блоком» фанкойлу служит чиллер, а теплоносителем вместо фреона является вода. При наличии бойлера или чилпера с тепловым насосом система фанкойлов может использоваться и для отопления здания.

Руф-топ — крышный моноблок размером от большого телевизора до легкового автомобиля. Руф-топ охлаждает или нагревает воздух и подает его внутрь здания по системе воздуховодов. Используется для охлаждения больших помещений — спортзалов, супермаркетов, кафе, вокзалов, аэропортов. В США активно применяется в коттеджном строительстве.

Кондиционеры точного контроля параметров воздушной среды (прецизионные кондиционеры) являются разновидностью колонных (шкафных) кондиционеров и используются в компьютерных залах, АТС и других местах, насыщенных электронным оборудованием. Кондиционеры этого типа могут круглый год поддерживать оптимальную температуру, влажность, чистоту и подвижность воздуха. Благодаря конструкционным особенностям они на порядок надежнее бытовых кондиционеров и обеспечивают более высокую точность в поддержании заданных температуры (±1 °С) и влажности (±2%) воздуха.

Принцип и основные режимы работы кондиционера

В основе работы кондиционера лежит перемещение тепла сжиженным газом, который называют хладагентом, в процессе перехода его из жидкости в пар и обратно. В этом смысле принцип работы кондиционера практически ничем не отличается от принципа работы обычного холодильника. В климатических системах чаще всего используется хладагент R-22 (гидрофторуглерод HCFC), температура кипения которого составляет — 40,8 °С (при давлении 760 мм. рт. ст. ).
Рассмотрим контур циркуляции хладагента и цикл работы простейшей сплит-системы, имеющей только режим охлаждения. В наружном блоке, находящемся вне помещения, имеется компрессор, благодаря работе которого в контуре циркулирует хладагент. В той части контура, которая находится во внутреннем блоке, хладагент имеет пониженное давление, поскольку перед тем, как покинуть наружный блок, он подвергся дросселированию в капиллярной трубке. Хладагент, температура которого после дросселирования равна 5. …10 С, закипает и переходит в пар. Необходимая для этого энергия поступает от теплого воздуха помещения, отдающего часть своего тепла хладагенту в теплообменнике-испарителе внутреннего блока. Охлажденный таким образом воздух возвращается тангенциальным вентилятором внутреннего блока обратно в помещение.
В то же время парообразный хладагент, проходя через компрессор наружного блока, сжимается за счет совершаемой компрессором работы, давление его повышается, а температура увеличивается до 50…60 ° С. Далее горячий пар охлаждается в наружном блоке и снова превращается в жидкость, отдавая тепло окружающему воздуху в теплообменнике-конденсаторе наружного блока. И даже если температура окружающей среды достигает 40…45 °С. она все же ниже температуры хладагента.
После конденсатора жидкий хладагент пропускается через капиллярную трубку (дросселируется). Давление при этом резко падает и температура хладагента вновь опускается до 5. …10 С, в результате чего жидкость снова начинает кипеть в теплообменнике-испарителе внутреннего блока, поглощая тепло из охлаждаемого помещения.
Контур климатической системы, работающей не только в режиме охлаждения, но и в режиме обогрева, устроен сложнее. Поскольку при смене режимов работы наружный и внутренний блоки кондиционера как бы меняются местами (внутренний теплообменник становится конденсатором, а внешний — испарителем), в составе контура появляется четырехходовой клапан, предназначеный для изменения направления движения хладагента. Во время работы в режиме «охлаждение» газ с высокой температурой и давлением через клапан поступает во внешний теплообменник. Во время работы в режиме «обогрев» клапан направляет газ с высокой температурой и давлением во внутренний теплообменник. После того, как кондиционер переведен в режим обогрева и четырехходовой клапан поменял направление потока хладагента в контуре, компрессор начинает всасывать хладагент из внешнего блока и нагнетать его во внутреннюю часть контура. Газ с высокой температурой и давлением поступает во внутренний теплообменник, где он конденсируется в жидкость и выделяет тепло в кондиционируемую комнату. Конденсированная жидкость дросселируется на выходе капиллярной трубки, а затем во внешнем блоке превращается в газ. Этот газ всасывается компрессором и начинается новый цикл. Так повышается температура кондиционируемой комнаты.
При наличии в сплит-системе нескольких внутренних блоков конфигурация контура, естественно, усложняется. В этом случае система, как правило, имеет два независимых компрессора, каждый из которых обеспечивает циркуляцию хладагента в одном из внутренних блоков. При этом используется общий теплообменник наружного блока.
Кондиционер, работающий в режиме обогрева помещения, называют тепловым насосом. Это означает, что нагрев воздуха в помещении происходит за счет тепла, забираемого у наружного воздуха (происходит перекачка тепла с улицы в помещение). Однако чем ниже опускается температура на улице, тем труднее отбирать тепло от наружного воздуха. Другими словами, мощность обогрева падает по мере понижения температуры на улице. Вот почему не рекомендуется использовать кондиционер на обогрев при наружной температуре ниже —5 °С: потребляемая мощность при этом возрастает, мощность охлаждения падает, увеличивается износ компрессора.
В связи с тем, что производительность теплового насоса существенно падает при понижении температуры наружного воздуха, в ряде моделей кондиционеров (например, в кондиционерах серии Mr.Slim производства фирмы Mitsubishi Electric) в дополнение к тепловому насосу для нагрева воздуха используется термоэлектронагревательный элемент (ТЭН) мощностью 1,5…3 кВт. ТЭН включается, когда разница между температурой воздуха в помещении и заданной температурой превышает 3 °С, В обычной ситуации, когда производительность кондиционера подобрана правильно, а заданная температура лежит в разумных пределах, время работы ТЭНа составляет несколько минут. Однако при понижении температуры наружного воздуха до — 10 °С или ниже, и падении производительности теплового насоса на 30…50%, ТЭН компенсирует данное падение производительности и существенно ускоряет обогрев помещения.
Кроме основных режимов охлаждения и обогрева, большинство современных кондиционеров имеют также режимы осушения, вентиляции и автоматический режим работы. Осушение воздуха является процессом, сопутствующим работе кондиционера в режиме охлаждения: когда воздух, поступивший из помещения, обтекает холодный испаритель, на его поверхности происходит конденсация влаги.
В режиме осушения процесс конденсации влаги из воздуха интенсифицируется, влажность находящегося в помещении воздуха уменьшается, но при этом его температура остается практически неизменной.
В режиме вентиляции не происходит ни охлаждения, ни нагрева, а создается циркуляция находящегося в помещении воздуха и его очистка (при наличии соответствующих фильтров). Компрессор и вентилятор наружного блока при это выключены, а вентилятор внутреннего блока работает на скорости, заданной с ПДУ.
В автоматическом режиме кондиционер сравнивает существующую температуру воздуха в помещении и заданную температуру и сам определяет, что необходимо — обогрев или охлаждение, поддерживая заданное значение температуры.
Сплит-системы, не имеющие режима обогрева и работающие только на «холод», в автоматическом режиме выбирают между охлаждением и осушением.

Об истории кондиционера

Когда, пригнув головы, туристы проходят по узким коридорам, вырубленным в скалах Долины Царей в Египте, и оказываются в погребальной камере фараона, их единственным спасением от духоты подземелья служит небольшой кусок картона, предусмотрительно выданный при входе служителем подземного музея. Строители гробниц, источником света для которых служила масляная лампа, должны были еще больше страдать от удушья. Поэтому над входом в гробницы они изображали богиню Маат крылья которой должны были приносить фараону дуновение свежего ветра. Эти изображения в шутку называют рисунками первых кондиционеров.
Жители древней Индии клали на подоконники своих жилищ травяные циновки, смоченные водой. Испаряясь, вода охлаждала поступающий в помещение воздух. Так задолго до появления бытовой техники человек нашел способ повышения комфорта в своем доме.
Любопытно, что лежащий в основе кондиционирования принцип охлаждения воздуха за счет испарения влаги реализован и в живой природе. Недавно было установлено, что «живым кондиционером» является верблюд. Вырабатываемая в его носу слизь насыщает влагой сухой воздух пустыни, поступающий в легкие. Однако при выдохе животного, в отличие от человека, эта влага вновь фильтруется в носу и остается в организме верблюда. Выдыхаемый верблюдом воздух порой на 9 °С прохладнее окружающего воздуха, в то время, как выдох человека имеет такую же температуру, как его тело.
Современное понятие «кондиционер» (от английского air-condition — «состояние воздуха») как обозначение устройства для поддержания заданной температуры и влажности в помещении, существует достаточно давно. Еще в 1815 г. француз Жан Шабаннес получил британский патент на «способ кондиционирования воздуха и регулирования температуры в жилищах и других зданиях». Правда, воплотилась эта идея лишь через 87 лет, когда в 1902 г. американец Уиллис Карриер установил подобное устройство в одной из нью-йоркских типографий. Холодильная машина предназначалась для осушения воздуха — высокая влажность в помещении ухудшала качество печати. Годом позже похожая установка появилась в театре немецкого города Кельна.
По схеме своей работы первые аппараты кондиционирований ничем не отличались от современных моделей. Со временем лишь менялись размеры и используемые материалы. Например, первый комнатный кондиционер фирмы General Electric (1929 г. ) в качестве хладагента использовал аммиак, поэтому содержащие его узлы были выведены за окно. По сути, это была первая сплит-система. Однако через два года, после появления безопасного для человека фреона, все блоки кондиционера были вновь собраны в одном корпусе. О кондиционере, состоящем из двух блоков, вспомнили только через 30 лет, но уже в Японии. Теперь конструкторы вынесли компрессор на улицу не из соображений безопасности, а для снижения шума в помещении. И действительно, это позволило уменьшить его на 6-9 дБ (А). Открылось и еще одно достоинство сплит-системы — свобода в выборе места для внутреннего блока. Теперь комнатный кондиционер избавился от жесткой привязки к оконному проему.
К 60-м годам XX века пальму первенства в индустрии кондиционирования у американцев перехватывают японцы. В 1958 г. компания Daikin разрабатывает первый тепловой насос — кондиционеры начинают не только охлаждать, но и нагревать воздух. С 1961 г. компания Toshiba начинает массовый выпуск сллит-систем. то есть кондиционеров, разделенных на два блока (от английского слова split— «расщеплять, раскалывать»).
В 1969 г. Daikin создает устройство, в котором один внешний блок обслуживает несколько внутренних, т. е. мульсплит-систему. В 1981 г. Toshiba выпускает сплит-систему, способную плавно регулировать свою мощность — кондиционер инверторноготипа. Наконец, годом позже Daikin создает VRV-систему — многоблочное устройство кондиционирования целых зданий с микропроцессорной системой управления.