Расчёт притока внешней инфильтрации: уравнение теплового потока моноблочного кондиционера

Большинство обзоров портативных кондиционеров сосредоточены на рейтингах BTU и уровнях децибел. Гораздо реже они затрагивают тепло, которое непрошено возвращается в помещение — тепловой штраф, который тепловой приток инфильтрации моноблочного кондиционера накладывает на каждое работающее одношланговое устройство. Это не конструктивный недостаток, который инженеры упустили; это неизбежное следствие выброса воздуха из помещения наружу и вытекающей из этого физики. Что делает это управляемым — так это то, что оно математически предсказуемо и потому измеримо, наблюдаемо и снижаемо.

В этой статье шаг за шагом строится полное уравнение теплового притока инфильтрации: явная составляющая, растущая с разностью температур, скрытая составляющая, растущая с наружной влажностью, и совокупный итог, против которого компрессор должен работать, прежде чем достигнет какого-либо чистого охлаждения помещения. Цифры основаны на реальных европейских летних психрометрических условиях и согласуются со значениями, приведёнными в опубликованных спецификациях производителей и записях испытаний в EPREL ЕС.

Что такое тепловой приток инфильтрации моноблочного кондиционера?

Тепловой приток инфильтрации моноблочного кондиционера — это полная тепловая нагрузка, вносимая в помещение инфильтрирующимся наружным воздухом, поступающим взамен воздуха, выброшенного вытяжным вентилятором одношлангового портативного устройства. Он состоит из двух составляющих: явного тепла (нагрузки, связанной с разностью температур между наружным и внутренним воздухом) и скрытого тепла (нагрузки, связанной с более высоким содержанием влаги в наружном летнем воздухе). Обе должны удаляться испарителем, что сокращает долю холодопроизводительности, доступную для реального снижения температуры помещения.

Слово «моноблок» (одношассийное устройство, содержащее компрессор, конденсатор, испаритель и вентиляторы в одном портативном корпусе) здесь важно, потому что вытяжной вентилятор находится внутри объёма воздуха помещения. Каждый кубометр в час, который вытяжной вентилятор выбрасывает наружу, — это кубометр в час потенциальной инфильтрации, который дефицит давления в помещении преобразует в фактический входящий поток воздуха через любые зазоры в ограждающих конструкциях здания.

Каково уравнение для расчёта теплового притока инфильтрации?

Полная тепловая нагрузка инфильтрации разделяется на два члена. Явная нагрузка: Q_s = ρ × V × Cp × ΔT, где ρ — плотность воздуха (1,2 кг/м³), V — объёмный расход инфильтрации в м³/с, Cp — удельная теплоёмкость воздуха при постоянном давлении (1005 Дж/(кг·К)), а ΔT — разность температур между наружным и внутренним воздухом в Кельвинах. Скрытая нагрузка: Q_l = ρ × V × h_fg × Δω, где h_fg — скрытая теплота парообразования воды (примерно 2500 кДж/кг при 25 °C), а Δω — разность влагосодержания между наружным и внутренним воздухом в кг воды на кг сухого воздуха.

Влагосодержание ω (также называемое удельной влажностью или отношением смешения) можно считать из психрометрических таблиц или вычислить как ω = 0,622 × p_v / (p_atm − p_v), где p_v — парциальное давление водяного пара, а p_atm — атмосферное давление (101,325 кПа). При 35 °C и относительной влажности 60 процентов ω составляет примерно 0,0215 кг/кг (21,5 грамма воды на килограмм сухого воздуха). При 22 °C и относительной влажности 50 процентов ω составляет примерно 0,0083 кг/кг. Разность, Δω = 0,0132 кг/кг, — это влага, которую испаритель должен сконденсировать и удалить из каждого килограмма инфильтрирующегося воздуха.

Рабочий пример: одношланговое устройство, создающее 50 м³/ч инфильтрационного потока (0,01389 м³/с) в полдень при 35 °C и относительной влажности 60 процентов против внутренней целевой температуры 22 °C. Массовый расход воздуха = 1,2 × 0,01389 = 0,01667 кг/с. Явная нагрузка: Q_s = 0,01667 × 1005 × 13 = 218 Вт. Скрытая нагрузка: Q_l = 0,01667 × 2 500 000 × 0,0132 = 550 Вт. Полная нагрузка инфильтрации: 768 Вт. По отношению к устройству с номинальной холодопроизводительностью 2500 Вт (примерно 8530 BTU/ч) это составляет 30,7 процента общей мощности, потребляемой самогенерируемой инфильтрацией, прежде чем начнётся какое-либо чистое охлаждение помещения.

Как тепловая нагрузка инфильтрации меняется в европейских летних условиях?

Полная нагрузка инфильтрации крайне чувствительна к наружной влажности, а также к температуре, поскольку скрытая составляющая часто превышает явную при типичных европейских летних условиях. При 30 °C и относительной влажности 55 процентов инфильтрация на уровне 40 м³/ч несёт умеренную совокупную нагрузку. При 38 °C и относительной влажности 65 процентов при той же скорости инфильтрации нагрузка почти утраивается, причём скрытая составляющая теперь составляет более 70 процентов от общей. Это объясняет, почему влажные прибрежные европейские города испытывают худшую работу одношланговых устройств, чем сухие внутренние регионы при той же температуре воздуха.

Строка 80 м³/ч представляет моноблок, работающий вблизи максимальной скорости вытяжного вентилятора в помещении, где инфильтрация близко отслеживает скорость вытяжки — сценарий, распространённый в старом жилье с негерметичными подъёмными окнами, почтовыми прорезями и щелеватыми конструкциями пола. При таких условиях в 35-градусный день почти половина мощности устройства потребляется создаваемой им нагрузкой инфильтрации, оставляя оставшиеся 50 процентов на фактическое охлаждение помещения.

Почему скрытая составляющая является доминирующим членом выше 33 °C

Скрытая теплота парообразования воды (примерно 2500 кДж/кг) в 2488 раз больше удельной теплоёмкости воздуха (1,005 кДж/(кг·К) на градус). Это означает, что разность влагосодержания Δω, необходимая для того, чтобы Q_l сравнялась с Q_s, составляет всего ΔT / 2488 кг/кг — невероятно малый перепад влажности. При 35 °C снаружи и 22 °C в помещении (ΔT = 13 °C) Q_l равна Q_s при Δω = 0,0052 кг/кг. Реальные европейские летние условия регулярно дают Δω от 0,010 до 0,020 кг/кг, а значит скрытая нагрузка обычно в два-четыре раза превышает явную во влажные летние дни. Кондиционер, отлично справляющийся с явным охлаждением, но чей поддон для конденсата не может справиться со скоростью образования конденсата от высокой инфильтрации, будет демонстрировать снижение производительности или отключение по мере обледенения испарителя.

При какой скорости инфильтрации моноблочное устройство перестаёт обеспечивать эффективное охлаждение?

Чистая польза охлаждения моноблочного устройства — охлаждение, доставленное в помещение, минус создаваемая им нагрузка инфильтрации — приближается к нулю, когда тепловая нагрузка инфильтрации равна номинальной мощности устройства. Для устройства мощностью 2500 Вт при 38 °C и относительной влажности 65 процентов точка перехода наступает примерно при 118 м³/ч инфильтрации. Хотя это кажется много, это достижимо в маленьком, очень негерметичном помещении (менее 15 м²) с полностью открытым щелевым клапаном и негерметичным дверным зазором — условия, нередкие в старом европейском жилом фонде.

Более практичная проблема — частичная деградация. Устройство, обеспечивающее лишь 50–60 процентов своей номинальной мощности из-за нагрузки инфильтрации, будет казаться работающим — датчик температуры будет показывать циклирование — но температура в помещении будет расти в жаркий полдень, а не снижаться, потому что чистого охлаждения недостаточно, чтобы преодолеть суммарный внешний и солнечный приток тепла, поступающий через конструкции здания.

• Сначала загерметизируйте зазор дверного порога — это обычно сокращает инфильтрацию на 30–50 процентов и напрямую снижает как явную, так и скрытую нагрузку притока.
• Закрывайте щелевые клапаны, пока работает кондиционер. Снова открывайте на ночь, когда наружная температура опускается ниже заданной внутренней.
• При наружной влажности выше 60 процентов ожидайте, что скрытая составляющая теплового притока инфильтрации будет доминирующим членом — поддон для конденсата и размер конденсатного насоса устройства должны это учитывать.
• В помещениях менее 12 м² даже умеренные скорости инфильтрации (30–40 м³/ч) могут превышать 20 процентов мощности небольшого устройства при пиковых летних условиях.
• После герметизации повторно измерьте скорость снижения температуры помещения: улучшение на 20–30 процентов указывает на успешное сокращение инфильтрации.

Отзывы владельцев в r/airconditioning часто описывают явление, когда помещение достаточно охлаждается ночью, но неуклонно нагревается в течение дня, несмотря на непрерывную работу кондиционера — что согласуется с устройством, чьё чистое охлаждение (номинальная мощность минус нагрузка инфильтрации) слегка положительно при умеренных условиях, но становится отрицательным, как только наружная температура и влажность достигают пика одновременно.

Уравнение теплового притока инфильтрации применимо только к устройствам, выбрасывающим воздух из помещения. Двухшланговый моноблок забирает воздух для конденсатора через выделенный впускной канал, а не из помещения, снижая (но не устраняя) чистый дефицит давления и сокращая инфильтрацию до 5–15 процентов холодопроизводительности при тех же условиях. Мобильное сплит-устройство вообще не выбрасывает воздух из помещения, поэтому члены нагрузки инфильтрации Q_s и Q_l оба равны нулю; уравнения становятся неактуальными, и вся номинальная мощность доступна для охлаждения помещения.

Как нагрузка инфильтрации сравнивается у разных типов портативных устройств?

Это структурное различие объясняет, почему сравнения мощности между одношланговыми и мобильными сплит-устройствами по паспортным рейтингам BTU вводят в заблуждение. Мобильный сплит на 9000 BTU и одношланговое устройство на 9000 BTU — функционально разные продукты при наружных температурах выше 30 °C: сплит обеспечивает примерно 8500 BTU чистого охлаждения помещения, тогда как одношланговое устройство может обеспечивать от 5500 до 7000 BTU в зависимости от герметизации помещения. Уравнение точно количественно определяет этот разрыв, а не оставляет его смутным впечатлением недостаточной производительности.

Мобильные сплит-устройства, полностью устраняющие тепловой приток инфильтрации моноблочного кондиционера, — это устройства, наиболее востребованные во время европейских волн жары, и, следовательно, первыми исчезающие из наличия. Для покупателей, понимающих уравнение инфильтрации, важно опередить пополнение запасов: это разница между покупкой устройства, решающего проблему, и ещё одним летом, потраченным на управление последствиями того, которое её не решает.