Работа кондиционера зимой

А. Крупнов, Н. Копылов

Современные системы кондиционирования рассчитаны на работу в инверторном режиме – и для охлаждения, и для нагрева воздуха. Несмотря на то, что их обычно не используют в качестве основного отопительного прибора, кондиционеры могут служить хорошим подспорьем в холодный период года, и при правильной эксплуатации позволяют сэкономить энергоресурсы. Особенно это актуально в условиях довольно мягкого климата большей части территории Украины

Практически все современные кондиционеры рассчитаны как на охлаждение воздуха, что является основной функцией, так и на его обогрев, т. е. способны работать при низкой температуре окружающего воздуха. В режиме нагрева принцип работы кондиционера и теплового насоса одинаков: тепло забирается у наружного воздуха. И чем ниже температура на улице, тем, следовательно, менее эффективен обогрев системой кондиционирования.

Направление движения потока фреона (для работы на нагрев или охлаждение воздуха в помещении) переключает четырехходовый клапан (рис. 1). В режиме обогрева происходит реверсирование цикла, и теплообменник наружного блока используется как испаритель. Теплообменник внутреннего блока, нагреваясь, отдает тепло воздуху в помещении.

Рис. 1. Четырехходовый клапан

Обычные бытовые кондиционеры, как правило, рассчитаны на работу на обогрев помещений при наружной температуре от +20 до минус 5°С. У моделей инверторного типа, а также «в северном исполнении» – до минус 10°С. При этом практически все кондиционеры могут кратковременно эксплуатироваться при температурах до минус 15°С, однако при этом эффективность их работы существенно снижается.

Отдельно нужно выделить полупромышленные и промышленные кондиционеры, приспособленные для эксплуатации при значительно более низкой температуре, например, мультизональные.

Нижний предел этого параметра зависит от типа используемого хладагента. Его температура точки кипения должна быть ниже температуры окружающей среды. Например, t_кип хладагента R-22 при давлении, наблюдаемом в магистрали кондиционера, лежит в пределах от минус 18 до минус 20°С. Хладагент R-410A может работать при более низких температурах, и системы кондиционирования на данной рабочей жидкости можно эксплуатировать даже в морозную погоду (табл.).

Таблица. Температура кипения некоторых хладагентов при нормальном атмосферном давлении

В любом случае, по мере приближения температуры наружного воздуха к температуре кипения хладагента производительность кондиционера падает.

Увеличить ее можно за счет повышения давления хладагента, что в бытовых кондиционерах обычно не применяется, а используется в приборах более сложных промышленных серий. Это достигается посредством линейного расширительного клапана.

Технические решения, направленные на повышение эффективности работы СКВ при низких температурах наружного воздуха, приводят к удорожанию систем кондиционирования: применение современных хладагентов требует большей прочности труб, используются дополнительные детали и т. п.

Однако стоит отметить, что обогрев с использованием кондиционеров имеет даже некоторые преимущества по сравнению с некоторыми традиционными системами отопления. Например, подобно тепловому насосу, на 1 кВт затраченной электрической мощности кондиционеры способны вырабатывать 3 кВт тепла (для R-22), или 4 кВт (для R-410A). Многие модели оборудованы функцией форсированного обогрева, за счет которой могут быстро прогревать весь объем воздуха в помещении. При использовании определенной погодозависимой автоматики и регулировании совместной работы с традиционной системой отопления, кондиционеры могут приносить энергосберегающий эффект, а в некоторых, например, южных регионах Украины и вообще использоваться в качестве основных отопительных приборов.

Не стоит забывать, что работа холодильной машины при низких температурах окружающего воздуха связана с рядом проблем, основные из которых: уменьшение производительности (как по холоду, так и по теплу), обмерзание теплообменника наружного блока при длительной работе в режиме обогрева, возможность повреждения компрессора при пуске, опасность попадания жидкого хладагента в компрессор.

Уменьшение холодопроизводительности

Круглогодичная работа кондиционеров на охлаждение требуется, например, для серверных комнат. В зимний период из-за низкой температуры наружного воздуха, обдувающего конденсатор наружного блока, падают температура и давление конденсации. Из-за этого случается отключение кондиционера при срабатывании устройств защиты по низкому давлению (автоматика регистрирует ложную «утечку» хладагента).

Особенно заметно уменьшение холодопроизводительности в кондиционерах с капиллярной трубкой (где возможно замерзание хладагента), а по этой схеме работают практически все бытовые кондиционеры.

В кондиционерах с терморегулирующим вентилем (обычно это оборудование для промышленности) его закрывание до какого-то момента компенсирует падение давления конденсации из-за переохлаждения. После того, как вентиль закроется до максимального предела, эффект будет таким же, как и в случае с капиллярной трубкой.

Для увеличения давления конденсации при низкой температуре наружного воздуха принимаются следующие технические меры:

уменьшается скорость вращения вентилятора обдува конденсатора (плавно или ступенчато) вплоть до полной его остановки;
перед конденсатором устанавливается специальный клапан регулирования давления конденсации, который отводит большую часть хладагента мимо конденсатора (примерная схема показана на рис. 2).

Рис. 2. Схема организации отвода части хладагента в обход конденсатора

Уменьшение теплопроизводительности

В холодную погоду уменьшается перепад температуры кипящего хладагента и окружающего воздуха. Как правило, для эффективной работы кондиционера на обогрев эта разница должна составлять 15–20°С. Чем ближе температура наружного воздуха к точке кипения хладагента, тем меньше тепла отбирается из окружающей среды.

При этом снижается давление всасывания на входе в компрессор, падает его производительность. Одновременно снижаются давление и температура конденсации, что приводит к уменьшению теплопроизводительности кондиционера.

В этих условиях необходимо максимально увеличить обдув испарителя. Обычно это достигается увеличением скорости вращения вентилятора наружного блока или другими методами, направленными на выравнивание пропускной способности обеих частей кондиционера – охлаждающей и нагревающей.

Опасность обмерзания теплообменника

Обмерзание теплообменника возможно при длительной работе кондиционера при температурах окружающей среды от 0°С и ниже. Переохлажденные ниже точки росы пластины теплообменника конденсируют на себе влагу из атмосферного воздуха, она оседает на элементах наружного блока и замерзает. Лед нарушает теплопередачу, а значит – ухудшает характеристики кондиционера, и может физически повредить наружный блок с вентилятором. Это повлечет довольно дорогостоящий ремонт.

Чтобы предотвратить обмерзание теплообменника наружного блока практически все современные кондиционеры оснащаются специальной автоматической функцией оттаивания. Для удаления льда и снеговой шубы с теплообменника наружного блока кондиционер кратковременно переводится в режим охлаждения. Т. е. в теплообменник поступает горячий конденсирующийся хладагент, вентиляторы наружного и внутреннего блоков останавливаются, и, таким образом, накопившийся снаружи лед оттаивает, а наружный блок восстанавливает свои функции.

Существенно снизить риск замерзания теплообменника можно при соблюдении следующих условий:

при монтаже нужно соблюдать рекомендованное расстояние от стены здания и других преград до наружного блока. Производители рекомендуют оставлять зазор между стеной и наружным блоком кондиционера обычно не менее 10 см, а лучше всего для беспрепятственного обдува обеспечить расстояние 20–25 см;
производить своевременное техническое обслуживание кондиционера, в частности, очистку наружного блока от загрязнений;
соблюдать продолжительность и температуру оттаивания. В некоторых дешевых марках кондиционеров эти параметры не выдерживаются, из-за чего лед оттаивает не полностью и наслаивается, что создает опасность повреждения лопастей вентилятора.

Возможность повреждения компрессора при пуске

При низких температурах наружного воздуха для запуска двигателя наружного вентилятора и собственно компрессора возникают большие пусковые токи. Это может привести к подгоранию изоляции и, как следствие, сгоранию медных обмоток электродвигателей.

Кроме того, при низких температурах масло густеет. В результате плотные сгустки могут повредить компрессор. Также во время пуска компрессора возникает разрежение и может происходить вскипание хладагента там, где это не нужно. Одновременно вспенивается масло и происходит его выброс в выходной трубопровод.

Во избежание этого на компрессорах средней и большой мощности устанавливаются обогреватели картера (рис. 3). Кроме того, в зимнем исполнении применяют утепление компрессора в виде чехла из плотного теплоизолирующего материала (рис. 4).

Рис. 3. Модели подогревателей картера:
а) кольцевой подогреватель для компрессоров Scroll и герметичных; б) модель с погружением для полугерметичных компрессоров

Рис. 4. Утепленный компрессор для работы кондиционера зимой

В компрессорах роторного типа, эта проблема менее остра, чем в поршневых. Наименее подвержены влиянию низких температур спиральные компрессоры. Так, на компрессорах Scroll малой мощности (примерно до 8–10 кВт) отсутствие обогревателя картера практически не влияет на их работоспособность.

Опасность попадания жидкого хладагента в компрессор

При работе в режиме обогрева и в связи с ухудшением условий кипения хладагента в теплообменнике наружного блока возникает опасность попадания хладагента в компрессор в жидком виде. Возникающий при этом гидравлический удар может повредить компрессор.

На деле, данная опасность связана с нарушениями правил монтажа или избыточным количеством хладагента в магистрали. Нормальное количество хладагента в жидком виде должно полностью помещаться в конденсатор внутреннего блока.

Кроме того, в кондиционерах «в северном исполнении» и промышленного типа выполняют теплоизоляцию компрессора и обеспечивают подогрев картера.