Что такое кондиционер: принцип работы, виды систем и типы внутренних блоков

Казалось бы, любой обыватель сможет ответить на вопрос – что такое кондиционер? Все правильно, это установка для охлаждения воздуха в комнатах квартир и других помещениях. Но при этом редкие знатоки смогут рассказать о принципе устройства и конструкции этих устройств.

Наша статья написана специально для того, чтобы восполнить те пробелы в знаниях о кондиционерах, которые имеют место быть. Данные, которые будут представлены ниже, покажутся интересными не только рядовым владельцам кондиционеров, но и продвинутым мастерам.

Онлайн-калькулятор для расчета мощности кондиционера

Наш калькулятор позволяет более полно и точно рассчитать все основные виды теплопритоков: от солнечной радиации, теплопроводности стен, людей, оборудования, вентиляции, освещения. После введения данных вы можете сохранить ссылку на этот расчет. Для этого в нижней части калькулятора нажмите кнопку "Копировать".

Что такое кондиционер и как он работает

Кондиционеры устроены весьма просто: хладагент (фреон) циркулирует, подчиняясь технологическим процессам, он охлаждается и нагревается, меняя параметры давления. В качестве простого примера можно привести процесс испарения капельки воды на коже, которое сопровождается охлаждением.

По-другому кондиционеры называют сплит-система (от англ. split — «разделение») и они состоят из двух блоков: внутреннего и внешнего (наружного). Наружный монтируется на стене фасада за пределами помещения, а внутренний – непосредственно в комнате, он и «проецирует» охлаждение внутрь. Два блока замкнуты общей магистралью циркуляции фреона.

Устройство наружного блока

Как было сказано, наружный модуль монтируется на внешней стене дома снаружи. Таким образом тепло отводится наружу и снижается уровень шума при работе сплит-системы.

Наружный модуль состоит из следующих составных элементов:

• Вентилятор. В моделях первого поколения его вращение осуществлялось с постоянной скоростью, более современные устройства имеют возможность плавной регулировки или ступенчатого включения.
• Конденсатор. Используется для воздушного охлаждения.
• Компрессор. Используются устройства разных видов для нагнетания и сжатия хладагента.
• Дросселирующее устройство. По виду представляет собой капиллярную трубку или расширительный вентиль с электронным управлением.
• Плата электронного управления. Монтируется только в инверторных моделях.

Устройство внутреннего блока

Монтируется внутри комнаты и содержит в конструкции следующие элементы:

• Панель, которая представляет внешний декоративный фасад кондиционера. Под панелью монтируются фильтры воздушной очистки и испарительный теплообменник.
• Фильтр воздухоочистки. Состоит из сетки, которая фильтрует крупные частицы пыли.
• Вентилятор. Отличается от вентилятора в наружном блоке тем, что имеет несколько скоростей вращения в обязательном порядке.
• Испаритель. Медная трубка, согнутая в змеевик.
• Горизонтальные жалюзи. С их помощью поток воздуха направляется в разные направления по вертикали, управление жалюзи осуществляется с помощью дистанционного пульта.
• Вертикальные жалюзи. Они направляют поток по горизонтальным направлениям, а регулировка осуществляется вручную.
• Модуль управления. Представляет собой электронную управляющую плату, которая защищена пластиковым корпусом. К плате подключаются пускатели всех «подвижных» элементов сплит-системы – двигателей, а также датчики контроля.
• Панель индикации. Расположена на внешней панели и сигнализирует о состоянии протекания технологических процессов, а также демонстрирует сведения о рабочих параметрах.
• Ванночка для дренажа. Специальный лоток для сбора конденсата, который образуется на теплообменнике. От ванночки конденсат выводится по дренажной трубке на улицу или в канализационный сток.

Принцип работы кондиционера

Работа кондиционера осуществляется в следующей последовательности технологического взаимодействия всех конструктивных элементов:

• Компрессор нагнетает в себя фреон из испарителя и осуществляет его сжатие, повышая его давление. С ростом давления повышается и температура. Фреон с высокой температурой под давлением подается в конденсатор.
• Газообразный фреон охлаждается под воздействием холодного воздуха и переходит в жидкое состояние. При этом происходит отдача тепла. Воздух, выходящий из конденсатора, в свою очередь нагревается теплом, которое отдает сжатый фреон.

• Фреон в виде жидкости под высоким давлением проходит через дроссель. При этом его давление снижается, а значит и резко понижается температура.
• Завершением рабочего цикла является возвращение хладагента в испаритель, где он претерпевает на себе воздействие комнатного воздуха. Фреон снова переходит в газообразную фазу, вбирая комнатное тепло. Рабочий цикл осуществляется и повторяется до тех пор, пока сплит-система включена.

Из чего состоит кондиционер

Теперь перейдем к самому интересному – ответу на вопрос о том, из каких конструктивных элементов состоит кондиционер. А если точнее, то мы подробно опишем функцию каждого элемента и возможные разновидности.

Компрессор

Необходим для сжатия хладагента и поддержания его циркуляции по магистральному контуру. По конструкции компрессора бывают разных видов, которые характеризуются индивидуальными рабочими параметрами.

Поршневые компрессоры

Электродвигатель таких устройств вращает коленчатый вал, который двигает поршни в герметичных цилиндрах. За счет их работы происходит всасывание и нагнетание воздуха.

Преимущества:

• Элементарная конструкция и легкий ремонт.

Недостатки:

• Давление на выходе «пульсирует», это является причиной высокого шума при работе.
• При запуске происходит мощностной скачок, который приводит к износу поршневой группы.

Ротационные компрессорные установки

Всасывание и сжатие фреона происходит при вращательном движении пластин. При этом давление на выходе практически не пульсирует, не возникают скачки тока во время пуска.

Ротационные модели подразделяются на два конструктивных типа.

Спиральные компрессоры - SCROLL

Такие установки монтируются в кондиционерах с малым и средним диапазоном мощности. Спиральные компрессоры применяются в холодильных машинах малой и средней мощности. В конструкции обустраиваются две стальные спирали, вставленные одна в другую с расширением каналов от центра к краям. Спираль внутри жестко закреплена, а наружная вращается относительно нее.

Преимущества:

• В момент пуска электродвигатель не испытывает перегрузок.

Недостатки:

• Сложная конструкция для производства и ремонта.
• При малейшей расцентровке и нарушении герметичности КПД установки значительно падает.

Винтовые компрессоры

Данные установки нашли свое применение в мощных сплит-системах с параметрами от 150 до 3000 кВт. При этом применяются установки с одинарным или дублированным (двойным) винтом.

На одинарный винт монтируются две спутниковые шестерни (сателлиты), которые боками соединены с ротором. Пары хладагента сжимаются роторами, вращающимися в разные стороны. Сами роторы вращаются центральным винтом.

Хладагент поступает через специальное впускное отверстие, обустроенное в конструкции компрессора, при этом происходит охлаждение двигателя, а после фреон циркулирует в сектор шестеренок ротора. Происходит сжатие. Повышение температуры и выпуск фреона в выходное отверстие.

Преимущества:

• Возможность плавной регулировки мощности с изменением числа оборотов вала электродвигателя.
• Низкий шум при работе.

Недостатки:

• Обязательное соблюдение герметичности прилегания винтов.

Конденсатор

Конденсатор (от лат. «condenso» — уплотняю)  - это аппарат, осуществляющий теплообмен за счет преобразования газообразного вещества в жидкое посредством охлаждения.  В кондиционерах данные устройства используются для изменения агрегатного состояния фреона.

Капиллярная трубка, ТРВ, дроссель, ЭРВ

ТРВ – это клапан, который регулирует количество фреона, поступающего в испаритель. ТРВ (терморегулирующий вентиль) монтируется после осушающего фильтра пере испарителем на впускной магистрали.  По-другому ТРВ называют расширительным клапаном, функция которого заключается в понижении давления и температуры фреона для осуществления дальнейшего технологического процесса в испарителе.

Изменение параметров фреона происходит при прохождении калиброванного диффузорного отверстия, понижающего давление потока жидкости. Когда жидкость происходит через отверстие ТРВ, она распыляется – снижается давление и уменьшается температура. В итоге далее в испарителе происходит испарение.

ЭРВ – это специальный датчик-контролер, который измеряет температуру кипения хладагента. Если возникает перегрев, то параметр фиксируется ЭРВ, как разность между температурой перегрева и температурой закипания фреона. Корректная работа возможна только при разности в 7-10^оС. ЭРВ производит сравнение текущего значения по перегреву со значениями уставки в настройках, и модулирует сигнал на управление: открытие вентиля ТРВ для снижения температуры или на закрытие при ее падении.

В современных моделях кондиционеров и сплит-систем применяются ЭРВ (электронно-распределительный вентиль) с шаговым двигателем. В устаревших моделях применялись механические устройства. Шаговые двигатели позволяют оперативно реагировать на изменения тепловой нагрузки.

Испаритель

Испаритель является еще одним теплообменным элементом в кондиционерах. Он размещается во внутреннем модуле сплит-систем или в том же корпусе, где смонтирован и конденсатор (в моноблоках). Испаритель является составной частью охладительного контура и обеспечивает забор тепла фреоном из атмосферного воздуха при испарении. Принцип остывания поверхности при испарении жидкости является ключевым для охлаждающего эффекта в кондиционерах.

Таким образом, испаритель является важной частью герметичной фреоновой трасы. Его задача – охлаждать воздушные потоки, которые прогоняются вентилятором, смонтированным «вплотную» к испарителю.

Что такое система кондиционирования воздуха

Процесс кондиционирования воздуха заключается в создании и поддержании в помещениях параметров комфортного состояния влажности, температуры, чистоты воздуха. Главное, чтобы помещение было закрытым. Поддержание осуществляется в автоматическом режиме. По сути, кондиционирование воздуха – это поддержанием оптимальных и комфортных условий нахождения в помещении людей или хранения какого-либо сырья.

Данный процесс осуществляется с помощью ряда специальных средств, которые в совокупности являются системой кондиционирования воздуха или СКВ. СКВ включают в себя средства для:

• Отбора воздуха.
• Подготовки до состояния нужных параметров. Для этого используются фильтры, теплообменные элементы, увлажнители и осушители.
• Перемещения. Применяются кулеры или вентиляторы.
• Распределения.

Кроме того, в состав входят устройства охлаждения или подогрева воздуха, различные средства автоматики, контроля и управления.

Для больших помещений СКВ доукомплектовывается средствами дистанционного управления. Кроме того, контроль и отбор параметров также осуществляется автоматизированными системами, которые практически исключают необходимость обслуживания человеком, за исключением технического обслуживания и ремонтов.

Если система кондиционирования состоит из элементов по подготовке и распределения воздуха внутри помещения с компоновкой в одной корпусе, то такую систему называют кондиционером. При этом возможно разделение на два корпуса, соединенных единой магистралью – такие установки называют споит-системами.

СКВ можно классифицировать по объекту использования и применения:

• Для поддержания комфортных условий.
• Для поддержания технологических процессов.

А также по виду систем, которые будут перечислены в следующем разделе.

Виды систем кондиционирования воздуха

В видах существует огромное разнообразие, так как системы кондиционирования индивидуально применяются для квартир, частных домов, помещений административного и коммерческого назначения, а также для промышленных цехов и терминалов. Все эти помещения и сооружения имеют и выявляют ряд архитектурно-инженерных особенностей, от которых зависит подбор конкретной системы кондиционирования. В данном случае обеспечение автоматического контроля и управления достигается за счет дооснащения дополнительным оборудованием.

Системы могут выполняться в виде одинарного моноблока или сплит-систем, разделенных на два модуля. У моноблоков все механизмы и системы скомпонованы в одном корпусе. Сплит-системы разделены на два блока, которые соединены общей фреоновой магистралью: внутренние содержат фильтры, кулер, испаритель и плату управления, в наружном находится компрессор, поэтому он более шумный при работе.

Оконные кондиционеры

До середины 90-х это были самые востребованные модели, их называли «оконниками». Мощность оконных моделей варьируется от 1.5 до 5.5 кВт. Все они работают, в основном, на охлаждение, но отдельные модели могут работать и на обогрев помещений.

К основным недостаткам оконников относят уменьшение уровня естественно освещенности от окна, а также уменьшение площади оконного проема, так как кондиционер монтируется непосредственно в окно. Кроме того, такие модели издают ощутимый шум при работе.

К преимуществам можно отнести тот факт, что забор воздуха производится непосредственно с улицы, таким образом оконные установки служат и для проветривания помещений. Также их просто монтировать и обслуживать.

Сплит-системы

Системы, которые состоят из двух блоков, прочно заняли нишу среди популярных систем кондиционирования после середины 90-х. Они выглядят весьма презентабельно, обладают более мощным КПД, а кроме того, идеально подходят для квартирных и офисных интерьеров.

Разделение на два модуля позволило вывести за пределы помещения более массивную и шумную «производительную» часть сплит-системы. Два блока соединяются общей фреоновой магистралью и электрокабелем. Кроме того, такие системы дооснащаются дополнительными опциями – возможность использования для обогрева, осушения воздуха и вентилирования помещений.

С помощью дистанционного пульта задаются основные рабочие параметры, а жидкокристаллический индикационный дисплей позволяет их контролировать. К основным параметрам относятся: режим работы, оптимальная температура, также временные диапазоны работы и отключения. Также пульт дистанционного управления позволяет варьировать скорость движения воздуха и его направление.

Сами сплит-системы подразделяются по типу расположения блоков, выделяют: настенные, потолочные, напольные, колонные, кассетные, и канальные. Но об этих разновидностях мы написали ниже, в специальном разделе.

Мультизональные VRF и VRV-системы

Такие системы состоят из высокопроизводительного блока, который устанавливается снаружи, а также нескольких блоков, установленных внутри помещения. Таким образом можно обслуживать несколько помещений с одного наружного блока. При соединении блоков возможно расстояние до 100 м. с высотой перепада до 50 м.

Каждый внутренний блок может быть настроен на индивидуальные рабочие параметры. Для каждого внутреннего блока можно задавать конкретные параметры рабочего режима.

VRF и VRV определяются рядом конструктивных и технологических параметров:

• Межблочные коммуникации имеют большую длину.
• Если из строя вышел один внутренний модуль, то остальные можно будет эксплуатировать дальше.
• Высокая устойчивость к аварийным ситуациям.

Чиллер-фанкойл

Основное отличие таких систем заключается в том, что вместо фреона используется вода в качестве хладагента. Но также возможно применение незамерзающей жидкости. Вода охлаждается специальной холодильной машиной – чиллером, который конструктивно является кондиционером. Вода подается с помощью миниатюрного насоса к фанкойлам, которые выполняют роль внутреннего модуля сплит-систем. При этом система чиллер-фанкойл имеет ряд преимуществ:

• Расстояние зависит от мощности насоса, поэтому возможна любая длина магистрали между чиллером и фанкойлом.
• Можно монтировать несколько фанкойлов, которые работают от одного чиллера.
• Для монтажа используются не магистрали для меди, а обычные водонапорные шланги.

Прецизионное кондиционирование

Прецизионный кондиционер — это установка, которая может обеспечить точное соблюдение рабочих параметров без расхождения даже в 1/10 от номинального значения. Такая точность требуется в серверных, машинных залах атомных электростанций и т.п.

Главное требование, которое предъявляется данным установкам – возможность бесперебойной работы в экстремальных диапазонах температур от -50 до +50 С.

Такие установки используют одну из четырех рабочих схем:

• Компрессор смонтирован в блоке внутри помещения, а охлаждение производится циркуляцией сжатого воздуха.
• Компрессор также смонтирован во внутреннем блоке, но при этом охладителем является вода, которая охлаждается в градирне – специальной установке для небольшого охлаждения теплой воды.
• Кондиционер подключается к чиллерной установке и работает аналогично фанкойлу.
• Прецизионный кондиционер магистрально соединен с проточным водопроводом.

Классификация по типу внутренних блоков

Как уже было сказано, сплит-системы классифицируются по типу расположения блоков внутри помещения.

Настенные

Такие сплит-системы эргономично размещаются в квартирах и офисных помещениях, их производительность позволяет обслуживать помещения от 15 до 120 м².  Один блок монтируется внутри в верхней части стены, как правило над окном, а наружный под окном на фасаде здания. Это позволяет сократить длину магистральных коммуникаций, длина которых должна варьироваться от 3 до 7 м., не более и не менее.

Кассетные

Такие установки устанавливаются в помещения, которые задрапированы подвесными или подшивными потолками. В конструкцию также включаются два блока – внутренний в пространстве между черновым и подвесным потолком, а также наружный – вне помещения.

Кассетные кондиционеры практически бесшумны, внутренний блок максимально плоский (от 25 см.) и позволяет эргономично использовать пространство помещения.

Канальные

Установки канального типа разработаны для того. Чтобы монтировать их скрытно, но главное в том, что они распределяют воздух по воздуховодным каналам. Внутренний блок содержит вентилятор, характеристики которого избираются под вентиляционную сеть индивидуально. Это выявляет необходимость создания точного проекта с правильными расчетами.

Напольно-потолочные

Такие установки монтируются в зависимости от архитектуры помещений: на полу, под потолком или на вертикальной стене. Вертикально распределенный поток воздуха контролируется пультом дистанционного управления, кроме того, установки характеризуются низким уровнем шума при работе. – до 36 дБ. Масса таких установок редко превышает 24 кг.

Колонные

Такие кондиционеры обслуживают объемные помещения, где нет возможности произвести крепление на стену. Как правило, колонные установки монтируются в ресторанах, кафе, холлах и музеях. Колонная система может быть смонтирована, как канальная сплит и распределять воздух по системе воздуховодов. Это позволяет увеличить эффективность от применения колонной климатической системы.

Установки данного типа бесшумны, эргономично встраиваются в интерьер крупного помещения.

Расчет мощности

Рассмотрим основные формулы и типовой метод для расчета мощности кондиционера для помещения с площадью от 50 до 70 м².

Мощность охлаждения - Q измеряется в кВт и находится по формуле

Q = Q1 + Q2 + Q3, где

Диапазон мощности кондиционера варьируется от –5% до +15% от расчетной мощности Q.

В данной статье мы самым подробным образом ответили на вопрос, что такое кондиционер. Мы не только продемонстрировали и описали основные виды кондиционеров и сплит-систем, но также разобрали их устройство, варианты применения. В целом наша статья не только дает возможность правильно и эффективно выбрать климатическую систему, но и использовать ее с максимальной рациональностью.