Способы снижения энергопотребления  при эксплуатации кондиционеров

В. П. Харитонов, доктор техн. наук, профессор (Москва)

Кондиционеры на базе компрессионных холодильных машин относятся к классу потребителей электроэнергии, номинальная мощность которых прописана в паспортных данных. Казалось бы, проблема энергосбережения и применение кондиционеров не связаны между собой. Однако почему порой счета на электроэнергию превышают ожидаемые? Причин несколько.

Паровая компрессионная холодильная машина

Сплиты и системы кондиционирования типа VRF/VRT/VRV (далее – VRF), бытовые холодильники и морозильные шкафы, льдогенераторы и осушители воздуха, авторефрижераторы, суда-рефрижераторы и поезда-рефрижераторы, холодильные машины производственных и распределительных холодильников, торговое холодильное оборудование, снеговые пушки, системы ледовых дворцов и хоккейных полей – это одно семейство родственных изделий холодильной техники. Основой всех этих технических чудес является паровая компрессионная холодильная машина, реализующая обратный цикл Карно и состоящая всего из четырех обязательных элементов: компрессор, конденсатор, испаритель и регулятор расхода. Данные элементы соединены трубопроводами в замкнутую герметичную систему, заполненную холодильным агентом (фреоны (хладоны), аммиак и многие другие вещества). Все остальные элементы даже самой сложной холодильной системы (ресиверы, маслоотделители, теплообменники, градирни, вентиляторы, клапаны, приборы автоматики и пр.) являются всего лишь вспомогательными устройствами.

Современные кондиционеры (сплиты и системы VRF) могут работать в режиме охлаждения, отопления и даже в смешанном режиме: часть внутренних блоков охлаждает помещения, а часть находится в режиме ожидания либо обогревает другие помещения.

Энергетическая эффективность кондиционеров и температура наружного воздуха

К сожалению, работоспособность и энергетическая эффективность всех без исключения кондиционеров, реализующих обратный цикл Карно, принципиально зависят от температур внутреннего и наружного воздуха. Поскольку желаемые параметры (температура и относительная влажность) внутреннего воздуха лежат в сравнительно узких пределах, практически единственным параметром, определяющим работоспособность и энергоэффективность кондиционера, оказывается температура наружного воздуха.

Однако во многих регионах нашей страны температура наружного воздуха изменяется в широком диапазоне в зависимости от времени года. Эта зависимость настолько значима, что порой исключает возможность круглогодичной работы кондиционера в некоторых климатических районах либо делает использование кондиционеров экономически нецелесообразным.

Для всех фирм – производителей систем кондиционирования, созданных на основе паровой компрессионной холодильной машины, проблемы эксплуатации и энергетической эффективности данного оборудования одинаковы. Одинаковы и способы их решения.

Режим охлаждения

Охлаждение воздуха – основной режим работы кондиционера. Фирмы-производители гарантируют надежный запуск и работу кондиционеров в режиме охлаждения помещений при температуре наружного воздуха от 46 до –20 °С без каких-либо дополнительных мероприятий. Но для нашей страны этот диапазон рабочих температур недостаточно широк: полюс холода в нашей стране находится в Якутии в селении Оймякон (зарегистрирована температура –71,1 °С в 1964 году). Проблема была преодолена благодаря работе российских специалистов, которые даже предложили несколько способов решения [1, 2].

Кондиционеры работают циклично. Отношение длительности работы к общей длительности цикла называют коэффициентом рабочего времени. Как правило, мощность кондиционера подбирают так, чтобы коэффициент рабочего времени при нормируемых параметрах внутреннего и наружного воздуха лежал в пределах 0,50–0,75. Для инверторных кондиционеров коэффициент рабочего времени почти всегда равен 1, что означает непрерывную работу компрессора. Но частота вращения вала компрессора и потребляемая мощность плавно изменяются в соответствии с требуемой холодо- и теплопроизводительностью.

Если кондиционер работает без остановки и с перерасходом электроэнергии, то либо на улице аномальная жара, либо одна из следующих субъективных причин:

Настройка пульта. Комфортной или оптимальной температурой для взрослого человека иногда считают ночью 16–18 °С и днем до 22 °С (для детей на 1–2° выше). Однако нельзя забывать про относительную влажность воздуха и температуру воздуха снаружи. Если на улице свыше 30 °С, то, как показывает практика, разность между температурой снаружи и в помещении не должна превышать 7–10 °С. Изменяя настройку пульта вслед за повышением температуры наружного воздуха (повышая настройку), мы не только улучшаем комфортность, но также снижаем энергопотребление.

Проветривание. Если работает кондиционер, то проветривание допускается в крайне ограниченном контролируемом виде: либо кратковременное открытие окон, либо приоткрытая форточка. При открытых настежь окнах работать кондиционер, конечно, будет, но с неоправданно большим расходом энергии.

Солнечная радиация. Если наружный блок кондиционера подвергается воздействию прямой солнечной радиации, то все его компоненты (конденсатор, компрессор, вентилятор и пр.) могут нагреться до критических температур, которые указаны в паспорте кондиционера в графе «рабочий диапазон температур» (например, 45 °С). Каждый электродвигатель имеет свой класс изоляции обмоток и перегрузочную способность. Эксплуатация кондиционера в экстремальных условиях либо невозможна (кондиционер выключается), либо нецелесообразна из-за высокого энергопотребления и низкой холодопроизводительности.

Даже если нагрев наружного блока от солнца не катастрофичен, энергетические характеристики работы кондиционера в значительной степени ухудшаются: чем выше температура, тем ниже энергетическая эффективность кондиционера. Если нет возможности монтировать наружный блок кондиционера на северной стороне дома, то рекомендуется установить солнцезащитное укрытие (в простейшем случае – козырек над наружным блоком).

«Войлочное» загрязнение конденсатора и испарителя. Загрязнению подвержены и внутренний, и наружный блоки. И то и другое оказывает отрицательное влияние на энергетическую эффективность кондиционера. Дело в том, что при полностью забитой оребренной поверхности конденсатора эффективность охлаждения конденсатора кондиционера наружным воздухом снижается в 5–6 раз при снижении скорости воздуха от расчетной до фактической. Аналогичное влияние на работу кондиционера оказывает и загрязнение фильтра внутреннего блока. Обнаружить эту неисправность кондиционера легко, достаточно провести внешний осмотр наружного блока и съемного фильтра внутреннего блока. Регулярная очистка теплопередающих поверхностей и фильтров – верный способ уменьшить энергопотребление.

Ветровое воздействие. Поток воздуха сквозь оребренные трубы наружного теплообменника возникает с помощью низконапорных осевых вентиляторов. Сильный ветер может замедлить вращение крыльчатки вентилятора и даже радикально уменьшить скорость и равномерность движения воздуха внутри наружного блока. И как уже было упомянуто, это приводит к сверхнормативному расходу электроэнергии.

Защита от ветра может быть выполнена разными способами, одна из рекомендаций фирмы-изготовителя – установка антиветровой конструкции – соразмерного щита перед наружным блоком.

Давление конденсации. Энергоэффективность кондиционера оценивают в режиме охлаждения отношением холодопроизводительности к потребляемой мощности: EER (Energy Efficiency Ratio). Чем выше данный показатель, тем меньше расходуется электроэнергии при одной и той же нагрузке. EER очень сильно зависит от значений температур внутреннего и наружного воздуха.

Например, при снижении температуры на улице с 35 до 20 °С и при неизменной температуре внутри помещения (например, 27 °С) показатель EER возрастает более чем в 4 раза! Эта тенденция постоянна: чем ниже температура наружного воздуха, тем выше энергоэффективность кондиционера.

Однако рабочий диапазон кондиционеров в режиме охлаждения ограничен для лучших систем кондиционирования температурой –20 °С. Дело в том, что при низких отрицательных температурах наружного воздуха давление конденсации паров наиболее распространенных хладонов становится ниже давления кипения и нормальный процесс циркуляции хладагента нарушается.

В последние годы широкое распространение получила технология «Полюс»: наружный блок размещают в контейнере с автоматическими жалюзи, что позволяет поддерживать температуру внутри контейнера (вокруг наружного блока) на требуемом уровне. Специалисты знают, как для конкретной гидравлической схемы системы кондиционирования подсчитать минимально допустимое давление и температуру конденсации. Теперь достаточно настроить автоматику «Полюса» на вычисленную температуру, и максимально эффективная работа кондиционера в режиме охлаждения в зимнее время гарантирована.

Узкие границы рабочего диапазона. Тепловая мощность, отводимая наружным блоком в окружающую среду, в несколько раз превышает потребляемую электрическую мощность. Вся суммарная энергия теряется безвозвратно. Однако технология «Полюс» позволяет использовать часть этой энергии для обогрева пространства вокруг наружного блока. Благодаря этому существенно (до –50 °С) расширяется рабочий диапазон за счет автоматического поддержания заданной оптимальной температуры вокруг наружного блока в течение его работы.

Режим отопления

Работа кондиционера в режиме отопления – это великолепный пример энергосберегающих технологий. При этом на 1 кВт•ч затраченной электроэнергии кондиционер выделяет в отапливаемом помещении в несколько раз больше тепловой энергии, забирая ее снаружи из окружающей среды, охлаждая наружный воздух. Перевод кондиционера в режим отопления осуществляется простым переключателем «тепло/холод».

Для сохранения высокой энергоэффективности кондиционера в режиме отопления требуется избегать уже перечисленных ошибок:

• при настройке пульта установите температуру на приемлемом самом низком значении, например 18–20 °С;

• проветривание сократите до минимума;

• солнечная радиация приветствуется, поэтому, если установлен солнцезащитный экран, – уберите его;

• во избежание «войлочного» загрязнения особенно важен регулярный контроль и очистка теплопередающих поверхностей наружного и внутренних блоков;

• ветровая защита еще более важна, чем в режиме охлаждения.

Главная особенность эксплуатации современных кондиционеров в режиме отопления – диапазон рабочих температур очень узок и не может быть расширен.

Так, при понижении температуры наружного воздуха до 12 °С, когда центральное отопление еще не включено, а отопление в доме уже крайне желательно, использование кондиционера в режиме отопления в 8 раз выгоднее электрорадиаторов! Однако при похолодании до отрицательных температур это преимущество резко снижается: при температуре наружного воздуха –7 °С кондиционер лишь в 2 раза выгоднее непосредственного электроотопления.

Но даже это преимущество нивелируется особенностями эксплуатации кондиционеров при отрицательных температурах в режиме отопления: неизбежное непрерывное обмерзание испарителя кондиционера требует его частого оттаивания переключением в режим охлаждения, необходимо дополнительное оснащение наружного блока дренажным обогреваемым поддоном, системой отвода талой воды. Снижается коэффициент рабочего времени, и экономическая эффективность кондиционера в режиме отопления уменьшается до критического уровня: проще и дешевле использовать для отопления квартиры электрические обогреватели.

Термодинамические основы работы кондиционера в режиме отопления объясняют рекомендации использовать его исключительно при положительных температурах наружного воздуха, а точнее при температурах наружного воздуха не ниже 7 °С. В этом случае оснащать наружный блок дополнительным оборудованием не требуется, прогрессирующего обмерзания испарителя не наблюдается, а энергосбережение характеризуется удивительно высокими цифрами.

Режим рекуперации

Уникальные технологии и возможности энергосбережения демонстрируют современные трехтрубные мультизональные системы кондиционирования типа VRF. Принципиальная схема такого кондиционера  отличается от обычной мульти-сплит-системы немногим. В схему (рис.) трехтрубной системы к наружному блоку (1) и внутренним блокам (3) и (4) добавлены принципиально новые для кондиционеров устройства: два блока BS (2), или распределительных блока (распределители потоков), которые переключают внутренние блоки в нужный режим путем коммутации подключенных хладонопроводов: для горячего газообразного хладона высокого давления,  для газообразного хладона низкого давления,  для жидкого хладона высокого давления, а также вход (5) и выход (6) наружного воздуха.

Максимально возможный энергетический эффект при работе трехтрубной VRF: тепло, отводимое из перегретых помещений, и тепло, эквивалентное потребляемой компрессором и вентилятором электроэнергии, полностью переходит транзитом в отапливаемые помещения! Для максимальной энергоэффективности трехтрубной VRF достаточно, чтобы суммарная теплопроизводительность внутренних блоков, работающих в режиме отопления, была примерно равна требуемой холодопроизводительности всех внутренних блоков, работающих в режиме охлаждения.

На практике такое распределение нагрузки на систему кондиционирования случается крайне редко и на непродолжительное время, но и в меньших размерах рекуперация тепла в трехтрубных системах оказывается рентабельной, и популярность систем с рекуперацией растет. К тому же одним из достоинств трехтрубных систем считают возможность выбирать режимы работы внутренних блоков одной системы в любом из помещений по желанию персонала.

Совместная работа систем отопления и систем кондиционирования

В переходные периоды, в межсезонье, а порой и круглогодично в крупных современных административных зданиях, к примеру в офисах IT-компаний или банков, одновременно работают системы кондиционирования и системы отопления. Все системы автоматизированы, оснащены датчиками температуры и регулирующими устройствами.

И радиаторы отопления необходимы, и внутренние блоки кондиционеров имеют ряд достоинств: они более равномерно распределены по помещениям, чем отопительные приборы, и являются важным элементом комфортного воздухораспределения и более точного регулирования температуры. В идеале мы получаем максимальный положительный эффект: экономию тепловой энергии и электроэнергии при достижении индивидуального комфорта на каждом рабочем месте.

Но есть и проблемы: инверторные системы кондиционирования обеспечивают плавное (пропорциональное) регулирование, в то время как радиаторы отопления, как правило, работают по принципу «вкл./выкл.». Настройка автоматики обеих систем в переходный период – кропотливое дело и необходимое условие успеха. В противном случае не исключено энергозатратное функционирование в «противофазе» обеих систем: в одном и том же помещении одновременно работают радиаторы отопления (на нагрев) и внутренние блоки кондиционеров (на охлаждение).

Энергосбережение при интеграции кондиционеров в системы отопления

Кондиционеры называют тепловыми насосами, по аналогии с водяными насосами. Аналогия эта очень глубокая. Кондиционеры в любом режиме работы «перекачивают» тепло из одного теплового бассейна в другой: например, от наружного воздуха в помещение, или наоборот, или из одного помещения в другое. В последнем варианте вся энергия, участвующая в процессе работы кондиционера (и потребляемая электроэнергия, и перекачиваемое тепло), остается внутри здания.

Идея заменить системами кондиционирования систему водяного отопления не нова [3, 4]. В этом варианте традиционная система водяного отопления здания (как основная) отсутствует, отопительный котел отапливает «банк тепла» – специальное помещение, где размещены наружные блоки кондиционеров и куда дополнительно поступают все теплоизбытки, выделяемые, например, электронными устройствами, электрооборудованием и другими источниками тепла внутри здания. А трехтрубные (а также двухтрубные) системы кондиционирования распределяют это тепло по помещениям и пополняют «банк тепла» за счет внутренних теплоизбытков.

Поскольку внутренняя температура в помещении «банка тепла» автоматически поддерживается на оптимальном уровне за счет регулирования мощности котла, нет сомнений в том, что класс энергосбережения А++ реален при проектировании и эксплуатации новых общественных зданий с такой системой отопления в самых холодных регионах страны.

Литература

1. Литвинчук Г. Г. Работа современной сплит-системы в условиях низких температур // АВОК. 1998. № 4. С. 21–33.

2. Харитонов В. П. Обеспечение работоспособности систем кондиционирования воздуха при низких температурах наружного воздуха // АВОК. 2007. № 3. С. 36–47.

3. Харитонов В. П. Энергосберегающая система отопления и кондиционирования для объектов Арктической зоны // Энергосбережение. 2020. № 6. С. 46–51.

4. Харитонов В. П. Способ и устройство отопления и кондиционирования здания. Патент № RU2725127C1, МПК F24D3/18 F24F1/00 F24F7/00 , приоритет 2019-04-30.