Výpočet prieniku okolitého úniku: rovnica za tepelným ťahom monoblokovej klimatizácie

Väčšina recenzií prenosných klimatizácií sa zameriava na hodnoty BTU a hladiny decibelov. Oveľa menej sa venuje teplu, ktoré sa nepozvané vracia do miestnosti — tepelnej penalizácii, ktorú tepelný ťah infiltráciou monoblokovej klimatizácie ukladá na každú jednohadicovú jednotku v prevádzke. Nie je to konštrukčná chyba, ktorú inžinieri prehliadli; je to nevyhnutný dôsledok vyfukovania vzduchu z miestnosti von a fyziky, ktorá z toho vyplýva. Čo to robí zvládnuteľným, je to, že je to matematicky predvídateľné, a preto merateľné, viditeľné a redukovateľné.

Tento článok zostavuje úplnú rovnicu tepelnej záťaže infiltráciou krok za krokom: citeľná zložka, ktorá stúpa s teplotným rozdielom, latentná zložka, ktorá stúpa s vonkajšou vlhkosťou, a kombinovaný súčet, proti ktorému musí kompresor pracovať pred dosiahnutím akéhokoľvek čistého chladenia miestnosti. Hodnoty sú založené na reálnych európskych letných psychrometrických podmienkach a sú konzistentné s hodnotami uvádzanými v zverejnených špecifikáciách výrobcov a testovaní záznamov EÚ EPREL.

Čo je tepelný ťah infiltráciou monoblokovej klimatizácie?

Tepelný ťah infiltráciou monoblokovej klimatizácie je celková tepelná záťaž prenesená do miestnosti infiltrujúcim vonkajším vzduchom nasávaným na nahradenie vzduchu vyfúknutého vyfukovacím ventilátorom jednohadicovej prenosnej jednotky. Skladá sa z dvoch zložiek: citeľné teplo (záťaž spojená s teplotným rozdielom medzi vonkajším a vnútorným vzduchom) a latentné teplo (záťaž spojená s vyšším obsahom vlhkosti vonkajšieho letného vzduchu). Obe musí odstrániť výparníková cievka, čím sa znižuje podiel chladiaceho výkonu dostupného na skutočné zníženie teploty miestnosti.

Slovo monoblok (jednošasová jednotka obsahujúca kompresor, kondenzátor, výparník a ventilátory v jednom prenosnom kryte) je tu dôležité, pretože vyfukovací ventilátor je vnútorný pre objem vzduchu miestnosti. Každý kubický meter za hodinu, ktorý vyfukovací ventilátor vypustí von, je kubický meter za hodinu potenciálnej infiltrácie, ktorý tlakový deficit miestnosti premení na skutočný prúd vzduchu dovnútra cez akékoľvek medzery existujúce v obálke budovy.

Aká je rovnica na výpočet tepelnej záťaže infiltráciou?

Celková tepelná záťaž infiltráciou sa delí na dva členy. Citeľná záťaž: Q_s = ρ × V × Cp × ΔT, kde ρ je hustota vzduchu (1,2 kg/m³), V je objemová rýchlosť infiltrácie v m³/s, Cp je merné teplo vzduchu pri konštantnom tlaku (1 005 J/(kg·K)) a ΔT je rozdiel teploty vonku-vnútri v kelvinoch. Latentná záťaž: Q_l = ρ × V × h_fg × Δω, kde h_fg je latentné teplo vyparovania vody (približne 2 500 kJ/kg pri 25 °C) a Δω je rozdiel merných vlhkostí medzi vonkajším a vnútorným vzduchom v kg vody na kg suchého vzduchu.

Merná vlhkosť ω (nazývaná aj špecifická vlhkosť alebo zmiešavací pomer) sa dá odčítať z psychrometrických tabuliek alebo vypočítať ako ω = 0,622 × p_v / (p_atm − p_v), kde p_v je parciálny tlak vodnej pary a p_atm je atmosférický tlak (101,325 kPa). Pri 35 °C a 60 percentnej relatívnej vlhkosti sa ω rovná približne 0,0215 kg/kg (21,5 gramov vody na kilogram suchého vzduchu). Pri 22 °C a 50 percentnej relatívnej vlhkosti sa ω rovná približne 0,0083 kg/kg. Rozdiel, Δω = 0,0132 kg/kg, je vlhkosť, ktorú musí výparník skondenzovať a odviesť z každého kilogramu infiltrujúceho vzduchu.

Prepracovaný príklad: jednohadicová jednotka vytvárajúca 50 m³/h infiltračného prúdu vzduchu (0,01389 m³/s) v popoludní pri 35 °C, 60 percentnej RV proti vnútornému cieľu 22 °C. Hmotnostný prietok vzduchu = 1,2 × 0,01389 = 0,01667 kg/s. Citeľná záťaž: Q_s = 0,01667 × 1 005 × 13 = 218 W. Latentná záťaž: Q_l = 0,01667 × 2 500 000 × 0,0132 = 550 W. Celková záťaž infiltráciou: 768 W. Proti jednotke s menovitým chladiacim výkonom 2 500 W (približne 8 530 BTU/h) to predstavuje 30,7 percenta celkového výkonu spotrebovaného samovoľne generovanou infiltráciou pred tým, než začne akékoľvek čisté chladenie miestnosti.

Ako sa tepelná záťaž infiltráciou mení naprieč európskymi letnými podmienkami?

Celková záťaž infiltráciou je vysoko citlivá na vonkajšiu vlhkosť aj teplotu, pretože latentná zložka často prekračuje citeľnú zložku pri typických európskych letných podmienkach. Pri 30 °C a 55 percentnej RV nesie infiltrácia pri 40 m³/h skromnú kombinovanú záťaž. Pri 38 °C a 65 percentnej RV pri rovnakej rýchlosti infiltrácie sa záťaž takmer strojnásobí, pričom latentná zložka teraz tvorí viac než 70 percent celku. To vysvetľuje, prečo vlhké európske pobrežné mestá zažívajú horší výkon jednohadicových jednotiek než suché vnútrozemské lokality pri rovnakej teplote vzduchu.

Riadok 80 m³/h predstavuje monoblok bežiaci blízko svojej maximálnej rýchlosti vyfukovacieho ventilátora v miestnosti, kde infiltrácia úzko sleduje rýchlosť vyfukovania — scenár bežný v starších bytoch s netesnými posuvnými oknami, poštovými schránkami a konštrukciou podlahy náchylnou na medzery. Za týchto podmienok v deň s 35 °C je takmer polovica výkonu jednotky spotrebovaná záťažou infiltráciou, ktorú vytvára, čím zostáva zvyšných 50 percent na skutočné chladenie miestnosti.

Prečo je latentná zložka dominantným členom nad 33 °C

Latentné teplo vyparovania vody (približne 2 500 kJ/kg) je 2 488-krát väčšie než merné teplo vzduchu (1,005 kJ/(kg·K) na stupeň). To znamená, že rozdiel mernej vlhkosti Δω potrebný na to, aby sa Q_l rovnalo Q_s, je iba ΔT / 2 488 kg/kg — neuveriteľne malý vlhkostný rozdiel. Pri 35 °C vonku a 22 °C vnútri (ΔT = 13 °C) sa Q_l rovná Q_s, keď Δω = 0,0052 kg/kg. Reálne európske letné podmienky bežne produkujú Δω 0,010 až 0,020 kg/kg, čo znamená, že latentná záťaž je vo vlhkých letných dňoch zvyčajne dva až štyrikrát väčšia než citeľná záťaž. Klimatizácia, ktorá vyniká v citeľnom chladení, ale ktorej odkvapkávacia vaňa nezvládne rýchlosť kondenzátu z vysokej infiltrácie, bude vykazovať degradáciu výkonu alebo vypnutie, keď výparník zamrzne.

Pri akej rýchlosti infiltrácie monobloková jednotka prestane poskytovať účinné chladenie?

Čistý prínos chladenia monoblokovej jednotky — chladenie dodané do miestnosti mínus záťaž infiltráciou, ktorú generuje — sa blíži k nule, keď sa tepelná záťaž infiltráciou rovná menovitému výkonu jednotky. Pri jednotke 2 500 W pri 38 °C a 65 percentnej RV nastáva prechod približne pri 118 m³/h infiltrácie. Hoci sa to zdá vysoké, je to dosiahnuteľné v malej, veľmi netesnej miestnosti (pod 15 m²) s plne otvoreným vetracím otvorom a netesnou medzerou dverí — podmienky nie nezvyčajné v staršom európskom bytovom fonde.

Praktickejšou obavou je čiastočná degradácia. Jednotka dodávajúca len 50 až 60 percent svojho menovitého výkonu v dôsledku záťaže infiltráciou sa bude zdať, že funguje — teplotný senzor bude indikovať cyklovanie — ale teplota miestnosti bude v horúcich popoludniach stúpať, a nie klesať, pretože čisté chladenie je nedostatočné na prekonanie celkového okolitého a slnečného tepelného zisku vstupujúceho cez konštrukciu budovy.

• Najprv utesnite medzeru pri prahu dverí — to zvyčajne zníži infiltráciu o 30 až 50 percent a priamo redukuje citeľnú aj latentnú záťaž prieniku.
• Počas behu klimatizácie zatvorte vetracie otvory. Znovu ich otvorte cez noc, keď vonkajšie teploty klesnú pod vnútorný nastavený bod.
• Pri vonkajšej vlhkosti nad 60 percent očakávajte, že latentná zložka tepelnej záťaže infiltráciou bude dominantným členom — dimenzovanie odkvapkávacej vane a kondenzátového čerpadla jednotky ju musí zvládnuť.
• V miestnostiach pod 12 m² môžu aj skromné rýchlosti infiltrácie (30–40 m³/h) prekročiť 20 percent výkonu malej jednotky pri špičkových letných podmienkach.
• Po utesnení znovu zmerajte rýchlosť poklesu teploty miestnosti: zlepšenie o 20 až 30 percent naznačuje úspešné zníženie infiltrácie.

Správy vlastníkov v r/airconditioning často opisujú jav miestnosti, ktorá sa cez noc dostatočne ochladí, ale počas popoludnia neustále stúpa v teplote napriek nepretržitému behu klimatizácie — v súlade s jednotkou, ktorej čisté chladenie (menovitý výkon mínus záťaž infiltráciou) je za miernych podmienok mierne kladné, ale stáva sa záporným, keď vonkajšia teplota a vlhkosť vrcholia súčasne.

Ako sa záťaž infiltráciou porovnáva naprieč typmi prenosných jednotiek?

Rovnica tepelnej záťaže infiltráciou sa vzťahuje iba na jednotky, ktoré vyfukujú vzduch z miestnosti. Dvojhadicový monoblok nasáva vzduch pre kondenzátor cez vyhradený prívodný kanál, a nie z miestnosti, čím znižuje (ale neodstraňuje) čistý tlakový deficit a znižuje infiltráciu na 5 až 15 percent chladiaceho výkonu za rovnakých podmienok. Mobilná split jednotka nevyfukuje žiadny vzduch z miestnosti, takže členy záťaže infiltráciou Q_s a Q_l sa oba rovnajú nule; rovnice sa stávajú irelevantnými a plný menovitý výkon je k dispozícii na chladenie miestnosti.

Tento štrukturálny rozdiel vysvetľuje, prečo sú porovnania výkonu medzi jednohadicovými a mobilnými split jednotkami pri menovitých hodnotách BTU zavádzajúce. Mobilný split s 9 000 BTU a jednohadicová jednotka s 9 000 BTU sú funkčne odlišné produkty pri vonkajších teplotách nad 30 °C: split dodá zhruba 8 500 BTU čistého chladenia miestnosti, zatiaľ čo jednohadicová jednotka môže dodať 5 500 až 7 000 BTU v závislosti od utesnenia miestnosti. Rovnica túto medzeru presne kvantifikuje, namiesto toho, aby ju ponechala ako vágny dojem podvýkonu.

Mobilné split jednotky, ktoré úplne odstraňujú tepelný ťah infiltráciou monoblokovej klimatizácie, sú jednotkami najviac žiadanými počas európskych horúčav — a v dôsledku toho prvými, ktoré sa vypredajú. Pre kupujúcich, ktorí rozumejú rovnici infiltrácie, je dôležité predbehnúť doplnenie zásob: je to rozdiel medzi kúpou jednotky, ktorá problém rieši, a strávením ďalšieho leta zvládaním následkov tej, ktorá ho nerieši.