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.

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.

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.

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.

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.