Обчислення проникнення навколишнього повітря: рівняння теплової протяги моноблочного кондиціонера

Більшість оглядів портативних кондиціонерів зосереджується на показниках BTU та рівнях децибелів. Значно менше з них розглядає тепло, що непрохано повертається до кімнати — тепловий штраф, який теплова протяга моноблочного кондиціонера накладає на кожен одношланговий пристрій під час роботи. Це не конструктивна вада, яку інженери проґавили; це неминучий наслідок викидання кімнатного повітря назовні та фізики, що з цього випливає. Керованим це робить те, що воно математично передбачуване і тому вимірне, видиме та зменшуване.

Ця стаття крок за кроком будує повне рівняння теплового навантаження інфільтрації: явну складову, що зростає з різницею температур, приховану складову, що зростає з зовнішньою вологістю, і комбіновану суму, проти якої мусить працювати компресор перш ніж досягти будь-якого чистого охолодження приміщення. Цифри ґрунтуються на реальних європейських літніх психрометричних умовах і узгоджуються зі значеннями, наведеними в опублікованих специфікаціях виробників та записах випробувань EU EPREL.

Що таке теплова протяга моноблочного кондиціонера?

Теплова протяга моноблочного кондиціонера — це загальне теплове навантаження, яке приносить у кімнату інфільтроване зовнішнє повітря, що втягується, аби замінити повітря, викинуте витяжним вентилятором одношлангового портативного пристрою. Вона складається з двох компонентів: явного тепла (навантаження, пов'язане з різницею температур між зовнішнім і внутрішнім повітрям) і прихованого тепла (навантаження, пов'язане з вищим вмістом вологи в зовнішньому літньому повітрі). Обидва мусять бути видалені випарним змійовиком, зменшуючи частку холодопродуктивності, доступної для справжнього зниження температури приміщення.

Слово моноблок (пристрій із єдиним корпусом, що містить компресор, конденсатор, випарник і вентилятори в одному портативному кожусі) тут важливе, бо витяжний вентилятор перебуває всередині повітряного об'єму кімнати. Кожен кубометр на годину, який витяжний вентилятор виводить назовні, — це кубометр на годину потенційної інфільтрації, яку дефіцит тиску в кімнаті перетворює на реальний вхідний потік повітря крізь будь-які щілини, що існують в оболонці будівлі.

Яке рівняння для обчислення теплового навантаження інфільтрації?

Загальне теплове навантаження інфільтрації розділяється на два члени. Явне навантаження: Q_s = ρ × V × Cp × ΔT, де ρ — густина повітря (1,2 kg/m³), V — об'ємна швидкість інфільтрації в m³/s, Cp — питома теплоємність повітря за постійного тиску (1005 J/(kg·K)), а ΔT — різниця температур між зовнішнім і внутрішнім повітрям у Кельвінах. Приховане навантаження: Q_l = ρ × V × h_fg × Δω, де h_fg — прихована теплота пароутворення води (приблизно 2500 kJ/kg за 25°C), а Δω — різниця вологовмісту між зовнішнім і внутрішнім повітрям у кг води на кг сухого повітря.

Вологовміст ω (також званий питомою вологістю або коефіцієнтом змішування) можна зчитати з психрометричних таблиць або обчислити як ω = 0,622 × p_v / (p_atm − p_v), де p_v — парціальний тиск водяної пари, а p_atm — атмосферний тиск (101,325 kPa). За 35°C і 60 відсотків відносної вологості ω дорівнює приблизно 0,0215 kg/kg (21,5 грама води на кілограм сухого повітря). За 22°C і 50 відсотків відносної вологості ω дорівнює приблизно 0,0083 kg/kg. Різниця, Δω = 0,0132 kg/kg, — це волога, яку випарник мусить конденсувати та відводити з кожного кілограма інфільтрованого повітря.

Опрацьований приклад: одношланговий пристрій, що створює 50 m³/h інфільтраційного потоку (0,01389 m³/s) у полудень за 35°C, 60 відсотків RH, проти внутрішньої цілі 22°C. Масова витрата повітря = 1,2 × 0,01389 = 0,01667 kg/s. Явне навантаження: Q_s = 0,01667 × 1005 × 13 = 218 W. Приховане навантаження: Q_l = 0,01667 × 2 500 000 × 0,0132 = 550 W. Загальне навантаження інфільтрації: 768 W. Проти пристрою з номінальною холодопродуктивністю 2500 W (приблизно 8530 BTU/h) це становить 30,7 відсотка загальної потужності, спожитої самоспричиненою інфільтрацією перш ніж почнеться будь-яке чисте охолодження приміщення.

Як змінюється теплове навантаження інфільтрації за різних європейських літніх умов?

Загальне навантаження інфільтрації дуже чутливе до зовнішньої вологості, а не лише до температури, бо прихована складова часто перевищує явну за типових європейських літніх умов. За 30°C і 55 відсотків RH інфільтрація на рівні 40 m³/h несе скромне комбіноване навантаження. За 38°C і 65 відсотків RH за тієї самої швидкості інфільтрації навантаження майже потроюється, причому прихована складова тепер становить понад 70 відсотків від загального. Це пояснює, чому вологі прибережні європейські міста мають гіршу продуктивність одношлангових пристроїв, ніж сухі внутрішні локації за тієї самої температури повітря.

Рядок 80 m³/h представляє моноблок, що працює біля максимальної швидкості витяжного вентилятора в кімнаті, де інфільтрація тісно відстежує швидкість витяжки — сценарій, поширений у старому житлі з негерметичними підйомними вікнами, поштовими скриньками та щілинними конструкціями підлоги. За цих умов у день за 35°C майже половина потужності пристрою споживається навантаженням інфільтрації, яке він створює, залишаючи решту 50 відсотків для фактичного охолодження приміщення.

Чому прихована складова є домінантним членом вище 33°C

Прихована теплота пароутворення води (приблизно 2500 kJ/kg) у 2488 разів більша за питому теплоємність повітря (1,005 kJ/(kg·K) на градус). Це означає, що різниця вологовмісту Δω, потрібна для того, щоб Q_l дорівнювало Q_s, становить лише ΔT / 2488 kg/kg — неймовірно малий перепад вологи. За 35°C зовні та 22°C усередині (ΔT = 13°C) Q_l дорівнює Q_s, коли Δω = 0,0052 kg/kg. Реальні європейські літні умови регулярно дають Δω від 0,010 до 0,020 kg/kg, тобто приховане навантаження зазвичай удвічі-вчетверо перевищує явне у вологі літні дні. Кондиціонер, який чудово справляється з явним охолодженням, але дренажний піддон якого не витримує швидкості конденсату від високої інфільтрації, демонструватиме зниження продуктивності або вимкнення, коли випарник обмерзає.

За якої швидкості інфільтрації моноблочний пристрій припиняє забезпечувати ефективне охолодження?

Чиста користь охолодження моноблочного пристрою — охолодження, доставлене до кімнати, мінус навантаження інфільтрації, яке він генерує — наближається до нуля, коли теплове навантаження інфільтрації дорівнює номінальній потужності пристрою. Для пристрою на 2500 W за 38°C і 65 відсотків RH перетин відбувається приблизно за 118 m³/h інфільтрації. Хоча це здається високим, це досяжно в малій, дуже негерметичній кімнаті (менше 15 m²) з повністю відкритим припливним клапаном і незапечатаною дверною щілиною — умови не рідкісні у старому європейському житловому фонді.

Практичніше турбує часткова деградація. Пристрій, що доставляє лише 50–60 відсотків своєї номінальної потужності через навантаження інфільтрації, здаватиметься працюючим — датчик температури показуватиме циклічність — але температура в кімнаті зростатиме у спекотні полудні, а не знижуватиметься, бо чистого охолодження недостатньо, щоб подолати загальне навколишнє та сонячне теплонадходження, що потрапляє крізь оболонку будівлі.

• Спершу ущільніть щілину порога дверей — це зазвичай зменшує інфільтрацію на 30–50 відсотків і безпосередньо знижує як явне, так і приховане навантаження протяги.
• Закривайте припливні клапани, поки працює кондиціонер. Знову відкривайте вночі, коли зовнішні температури падають нижче внутрішньої цілі.
• За зовнішньої вологості вище 60 відсотків очікуйте, що прихована складова теплового навантаження інфільтрації буде домінантним членом — розмір дренажного піддону та конденсатної помпи пристрою мусить її вмістити.
• У кімнатах менше 12 m² навіть скромні швидкості інфільтрації (30–40 m³/h) можуть перевищувати 20 відсотків потужності малого пристрою за пікових літніх умов.
• Після ущільнення повторно виміряйте швидкість падіння температури в кімнаті: поліпшення на 20–30 відсотків вказує на успішне зменшення інфільтрації.

Звіти власників у r/airconditioning часто описують явище кімнати, яка адекватно охолоджується вночі, але стабільно зростає в температурі протягом полудня, попри безперервну роботу кондиціонера — узгоджено з пристроєм, чисте охолодження якого (номінальна потужність мінус навантаження інфільтрації) незначно позитивне за помірних умов, але стає негативним, щойно зовнішня температура та вологість досягають піку одночасно.

Як навантаження інфільтрації порівнюється між типами портативних пристроїв?

Рівняння теплового навантаження інфільтрації застосовне лише до пристроїв, які викидають кімнатне повітря. Двошланговий моноблок втягує повітря для конденсатора крізь спеціальний впускний канал, а не з кімнати, зменшуючи (але не усуваючи) чистий дефіцит тиску і скорочуючи інфільтрацію до 5–15 відсотків холодопродуктивності за тих самих умов. Мобільний спліт-пристрій зовсім не викидає кімнатне повітря, тож члени навантаження інфільтрації Q_s і Q_l обидва дорівнюють нулю; рівняння стають неактуальними, і повна номінальна потужність доступна для охолодження приміщення.

Ця структурна відмінність пояснює, чому порівняння потужності між одношланговими та мобільними спліт-пристроями за номінальними показниками BTU оманливі. Мобільний спліт на 9000 BTU і одношланговий пристрій на 9000 BTU — функціонально різні продукти за зовнішніх температур вище 30°C: спліт доставляє приблизно 8500 BTU чистого охолодження приміщення, тоді як одношланговий пристрій може доставляти 5500–7000 BTU залежно від герметичності кімнати. Рівняння точно кількісно оцінює цей розрив, а не залишає його як розпливчасте враження недопродуктивності.

Мобільні спліт-пристрої, які повністю усувають теплову протягу моноблочного кондиціонера, є пристроями, найбільш затребуваними під час європейських спек — і, відповідно, першими, що зникають з наявності. Для покупців, які розуміють рівняння інфільтрації, важливо випередити поповнення складу: це різниця між купівлею пристрою, що вирішує проблему, і ще одним літом, проведеним у боротьбі з наслідками того, що не вирішує.