Огляд спліт-систем: як вони працюють і чому стають все більш популярними для охолодження та обігріву приміщень

За останні роки технології кондиціонування повітря зробили крок далеко вперед. Сучасні спліт-системи - це складні та високотехнологічні пристрої, що використовують інноваційні рішення для забезпечення максимальної ефективності та комфорту. У цій статті ми розглянемо принцип роботи спліт-систем, їхні основні компоненти та сучасні технології, які роблять їх такими популярними.

Що таке спліт-система?

Спліт-система являє собою кондиціонер, розділений на два блоки: внутрішній (випарний) і зовнішній (компресорно-конденсаторний). Ці блоки з'єднані між собою теплоізольованими мідними трубками, якими циркулює холодоагент (фреон). Холодоагент переносить тепло, переходячи з рідкого стану в газоподібний (і назад) у замкнутому циклі. Внутрішній блок розташований у приміщенні і відповідає за охолодження або обігрів повітря, а зовнішній - на вулиці, розсіюючи відібране тепло або поглинаючи його з навколишнього середовища.

Відмінність спліт-системи від інших кондиціонерів полягає в її енергоефективності, зручності монтажу та можливості роботи в режимі теплового насоса, що робить її універсальним рішенням для різних кліматичних умов.

Принцип роботи спліт-системи (кондиціонера) - технічний огляд

В основі роботи спліт-системи лежить парокомпресійний холодильний цикл, що містить чотири основні стадії: стиснення, конденсація, дроселювання (розширення) і випаровування. Під час роботи кондиціонер не "виробляє холод", а переміщує тепло: забирає його з одного місця і віддає в інше. Нижче описано деталі цього процесу, функції ключових компонентів системи, відмінності режимів охолодження/обігріву, типи холодоагентів і сучасні технології підвищення ефективності.

1. Основні етапи холодильного циклу

Спліт-система працює, циклічно змінюючи стан холодоагенту - випаровуючи та конденсуючи його.

Цей цикл можна розділити на чотири основні етапи:

1. Стиснення (компресія). Холодоагент у газоподібному стані надходить у компресор. Компресор стискає холодоагент, збільшуючи його тиск з ~3-5 бар до ~15-25 бар і температуру до +70...+90 °C. Цей процес вимагає витрат енергії, яка зазвичай подається на електродвигун компресора.
2. Конденсація. Гарячий, стиснений холодоагент надходить у конденсатор - радіатор, розташований у зовнішньому блоці. Тут холодоагент охолоджується потоком повітря, що обдувається вентилятором, і конденсується, перетворюючись із газу на рідину. При цьому виділяється тепло, яке викидається на вулицю (у режимі охолодження).
3. Дроселювання (розширення). Рідкий холодоагент під високим тиском проходить через дроселюючий пристрій (капілярну трубку або ТРВ). Проходячи через вузький отвір дроселя, холодоагент різко знижує свій тиск і частково випаровується, охолоджуючись при цьому.
4. Випаровування. Холодоагент низького тиску надходить у випарник - радіатор, розташований у внутрішньому блоці. Тут холодоагент повністю випаровується, поглинаючи тепло з повітря в приміщенні. Вентилятор внутрішнього блоку проганяє тепле кімнатне повітря через холодний випарник, охолоджуючи його.

Цей цикл повторюється постійно, поки працює кондиціонер. По суті, система переносить тепло з приміщення на вулицю (в режимі охолодження), використовуючи фазові переходи холодоагенту для ефективного перенесення енергії. Нижче розглянуто пристрої, що забезпечують кожен етап циклу.

2. Ключові компоненти та їхні функції

Компресор. "Серце" спліт-системи, що знаходиться в зовнішньому блоці. Компресор всмоктує низькотемпературну пару холодоагенту з випарника і стискає її, піднімаючи тиск і температуру.

Докладніше: Він забезпечує циркуляцію холодоагенту контуром і підтримує різницю тисків між високонапірним (нагнітальним) і низьконапірним (всмоктувальним) боками. Існує кілька типів компресорів: роторні, спіральні, поршневі тощо. У побутових спліт-системах часто використовують ротаційні компресори; у сучасних моделях - інверторні двороторні, що відрізняються плавною роботою з мінімальними вібраціями. Завдання компресора - виконати перший етап циклу (стиснення) і забезпечити рух холодоагенту.

Конденсатор. Теплообмінник у вигляді змійовика з алюмінієвими ребрами, встановлений у зовнішньому блоці. До нього надходить гарячий газ від компресора.

Детальніше: Функція конденсатора - відводити тепло від холодоагенту в зовнішнє середовище і конденсувати газ у рідину. Зовні конденсатор обдувається вентилятором зовнішнього блоку для посилення теплообміну. У побутових сплітах застосовують конденсатори повітряного охолодження (використовують зовнішнє повітря для охолодження). Коли кондиціонер працює на холод, конденсатор нагрівається і розсіює тепло на вулицю; під час роботи на обігрів - навпаки, конденсатор стає випарником (див. розділ 3). Конденсатор розрахований на високий тиск і температуру, тому зазвичай зроблений з міді та алюмінію.

Випарник. Теплообмінник у внутрішньому блоці, аналогічний за конструкцією конденсатору, але працює в протилежній фазі.

Детальніше: У випарнику низькокиплячий рідкий фреон випаровується, поглинаючи тепло повітря приміщення. Випарник охолоджується (його температура зазвичай +5...+10 °C), тому на ньому осідає волога з повітря (конденсат). Випарник забезпечений дренажною ванночкою і трубкою для відведення конденсату. Функція випарника - виконувати охолодження повітря в режимі холод (або віддачу тепла в режимі обігріву, див. нижче), здійснюючи фазовий перехід "рідина→газ" із поглинанням теплоти. Випарник зазвичай виготовлений з мідної трубки з ребрами для кращого теплообміну.

Терморегулювальний вентиль (ТРВ) / дросельний пристрій. Це елемент, зазвичай розташований між конденсатором і випарником (на лінії рідкого холодоагенту). У простих моделях роль дроселя виконує капілярна трубка - тонка довга трубка фіксованого перетину. У більш просунутих - встановлюється терморегулювальний вентиль з термобалоном або електронний розширювальний клапан.

Детальніше: Призначення пристрою - знижувати тиск холодоагенту перед випарником, дозуючи його подачу. Вентиль створює гідравлічний опір: високонапірна рідина з конденсатора, проходячи через вузький перетин, втрачає тиск і частково випаровується (охолоджується). Тим самим забезпечується потрібна температура кипіння фреону у випарнику. ТРВ автоматично регулює витрату холодоагенту, підтримуючи оптимальний ступінь випаровування (щоб фреон повністю випаровувався всередині випарника). Підсумкова функція ТРВ - виконувати стадію дроселювання (розширення) і підтримувати стабільну роботу циклу, не допускаючи потрапляння рідини в компресор.

Вентилятори. Обидва блоки оснащені вентиляторами для руху повітря через теплообмінники. Зовнішній вентилятор обдуває конденсатор зовнішнім повітрям, прискорюючи охолодження гарячого фреону. Внутрішній вентилятор проганяє кімнатне повітря через випарник для охолодження (або нагрівання).

Детальніше: У сучасних сплітах внутрішній вентилятор має кілька швидкостей і забезпечує рівномірний розподіл прохолодного повітря в приміщенні. Зовнішній вентилятор теж може мати регулювання швидкості (у простих моделях - фіксовану швидкість). Без вентиляторів теплообмін був би занадто повільним, і ефективність кондиціонера різко впала б.

Чотириходовий клапан (реверсивний клапан). Спеціальний електромагнітний клапан, що встановлюється в зовнішньому блоці реверсивних кондиціонерів - тих, що можуть працювати на обігрів. Чотириходовий клапан з'єднує нагнітальну і всмоктувальну лінії таким чином, що при перемиканні режимів змінює напрямок потоку холодоагенту.

Детальніше: У режимі охолодження контур тече стандартно: компресор → конденсатор → ТРВ → випарник → назад у компресор. У разі ввімкнення обігріву 4-ходовий клапан перенаправляє вихід гарячого газу компресора не в зовнішній конденсатор, а у внутрішній блок, перетворюючи внутрішній теплообмінник на конденсатор, а зовнішній - на випарник. Таким чином, випаровування холодоагенту відбувається в зовнішньому блоці, а конденсація - у внутрішньому, і тепло надходить у приміщення. Чотириходовий клапан має два стійких положення (охолодження/нагрівання) і переводиться соленоїдом (котушкою) за командою електроніки. Функція клапана - забезпечувати реверсивність холодильного циклу, даючи змогу одному пристрою як охолоджувати, так і гріти повітря. (Примітка: 4-ходовий клапан також використовується для автоматичного розморожування - короткочасно переводить систему в режим охолодження взимку, щоб розтопити іній на зовнішньому блоці). Надійність цього клапана важлива: у разі його заклинювання кондиціонер зможе працювати тільки в одному режимі або зовсім втратить ефективність.

Крім перерахованих вузлів, у зовнішньому блоці спліт-системи зазвичай присутні фільтр-осушувач (ресивер) для очищення фреону від вологи і бруду, а також сервісні порти (шредери) для підключення манометрів і вакуумного насоса. Внутрішній блок включає повітряні фільтри (грубого і тонкого очищення) для захисту випарника від пилу, напрямні жалюзі для регулювання потоку повітря, електронну плату управління з датчиками та індикацію, дренажну систему відведення конденсату. Усі ці компоненти спільно забезпечують ефективну та безпечну роботу системи.

3. Режим охолодження vs. режим обігріву

Охолодження (режим "Cold"). Це стандартний режим роботи кондиціонера. Внутрішній блок функціонує як випарник (холодний), зовнішній - як конденсатор (гарячий). Компресор нагнітає гарячий газ у зовнішній радіатор, де холодоагент конденсується при практично постійній температурі, віддаючи тепло назовні. Холодний рідкий фреон через ТРВ надходить у внутрішній випарник, де він випаровується за практично постійної температури, охолоджуючи кімнатне повітря. Таким чином, тепло "відкачується" з приміщення назовні.

Коефіцієнт ефективності охолодження (EER) зазвичай вищий за 3.0, тобто на кожен 1 кВт споживаної електроенергії кондиціонер відводить понад 3 кВт тепла з повітря. Під час роботи на холод важливо, щоб зовнішня температура не була занадто низькою (зазвичай не нижче ~+15...+18 °C без спеціального комплекту), інакше тиск конденсації впаде, і ефективність знизиться.

Обігрів (режим "Heat"). Багато сучасних спліт-систем мають функцію реверсу, тобто можуть обігрівати приміщення взимку. Фізично це той самий цикл, але "навпаки": забір тепла відбувається зовні, а виділення - всередині приміщення.

Під час перемикання на обігрів спрацьовує 4-ходовий клапан, перемикаючи потоки холодоагенту між внутрішнім і зовнішнім блоками. Тепер після компресора гарячий фреон іде у внутрішній теплообмінник, який стає конденсатором, що віддає тепло кімнаті. Охолоджений фреон, що сконденсувався, через ТРВ йде в зовнішній блок, де в умовах більш холодного зовнішнього повітря випаровується. Зовнішній блок тепер діє як випарник: він холодний, відбирає тепло з вуличного повітря, через що на ньому може утворюватися іній під час морозу. Потім газ знову всмоктується компресором, і цикл повторюється.

Важливо відзначити: Кондиціонер у режимі обігріву працює як тепловий насос, "перекачуючи" тепло з вулиці в приміщення. Навіть за +5°C зовнішнього повітря він ефективно обігріває, видаючи 2-4 кВт тепла на кожен 1 кВт споживаної електроенергії (COP 3-4). Ефективність знижується зі зниженням температури на вулиці. Більшість спліт-систем розраховані на роботу до -5...-10°C, інверторні моделі - до -15°C і нижче (із зимовим комплектом). За негативних температур зовнішній блок може обмерзати, запускаючи автоматичну систему розморожування.

4. Типи холодоагентів та їхній вплив на ефективність

Роль холодоагенту

Холодоагент (фреон) - робоче тіло холодильного циклу, що переносить тепло. Від його властивостей залежать: робочі тиски, температури кипіння/конденсації, енергетична ефективність системи, її екологічність і вимоги до обладнання.

Типи холодоагентів у сучасних спліт-системах

Пояснення термінів:

• HFC (Hydrofluorocarbon) - гідрофторвуглеці, не руйнують озоновий шар, але мають високий GWP.
• HCFC (Hydrochlorofluorocarbon) - гідрохлорфторвуглеці, руйнують озоновий шар і поступово виводяться з обігу.
• GWP (Global Warming Potential) - потенціал глобального потепління, чим нижче значення, тим менший вплив на клімат.
• ODP (Ozone Depletion Potential) - потенціал руйнування озонового шару, 0 означає відсутність шкідливого впливу.
• A2L - клас помірно горючих холодоагентів.
• A3 - клас високозаймистих холодоагентів.

Вплив термодинамічних характеристик на ефективність

Кожен холодоагент має свої термодинамічні характеристики, які впливають на ефективність системи: температуру кипіння за певного тиску, тиск насичення за заданих температур та ентальпію фазового переходу (теплоту, необхідну для зміни агрегатного стану). Наприклад, R410A і R32 дають змогу досягати нижчих температур випаровування за високого тиску конденсації, забезпечуючи ефективне охолодження навіть за високих температур навколишнього середовища. R32, завдяки нижчій молекулярній масі та в'язкості, потребує менше енергії для стиснення.

Енергоефективність спліт-систем і сучасні технології

Сьогодні під час продажу кондиціонерів вказують класи енергоефективності (від A до A+++) і коефіцієнти EER/COP:

• EER (Energy Efficiency Ratio) - відношення продуктивності охолодження (кВт холоду) до споживаної потужності (кВт електроенергії).
• COP (Coefficient of Performance) - аналогічний показник, але для режиму обігріву (кВт тепла на кВт енергії).

Що вищі ці коефіцієнти, то менше електрики споживає пристрій. Наприклад, кондиціонер з COP 4.0 у режимі обігріву на кожен спожитий кіловат електроенергії виробить 4 кіловати тепла.

Сучасні технології для підвищення ефективності

Для досягнення високих показників виробники застосовують такі сучасні технології:

• Інверторний компресор. На відміну від звичайного компресора, який працює тільки в режимі вкл/викл на повній потужності, інверторний має плавне регулювання частоти обертання двигуна. Після досягнення заданої температури він не відключається повністю, а переходить на знижену потужність, підтримуючи клімат з мінімальними коливаннями. Переваги: економія електроенергії (немає пускових струмів, компресор більшу частину часу працює на малому навантаженні), більш точне підтримання температури (+/- 0,5 °C), менший знос і тиша. Інвертори на 30-40% економічніші за старі моделі і зазвичай мають клас енергоспоживання A++. Майже всі нові спліти зараз інверторні.
• Оптимізація повітряних потоків. Покращені вентилятори і схеми розподілу повітря знижують навантаження. Наприклад, DC-мотори вентиляторів дають змогу точно задавати швидкість і економлять до 30% енергії проти звичайних AC-моторів. Спеціальна аеродинамічна форма лопатей знижує шум і опір повітря.
• Підвищена площа теплообмінників, поліпшене оребрення. Більше рядів трубок, тонкі ламелі з турбулізаторами - все для підвищення тепловіддачі. Так досягається потрібний ефект при більш компактних розмірах і меншій роботі компресора.
• Інтелектуальне управління і датчики. Сучасні системи оснащуються безліччю датчиків: температури повітря, теплообмінників, вологості, присутності людей у кімнаті, освітленості тощо.

Переваги: розумне управління дає змогу економити енергію, наприклад, автоматично перемикаючись в економічний режим, коли нікого немає, або запобігаючи переохолодженню. Смарт-функції та підключення до Wi-Fi дають змогу користувачеві гнучко налаштовувати розклад роботи (не працюючи даремно).

• Режими енергозбереження. Багато спліт-систем мають режим Eco, що обмежує потужність компресора, що трохи довше охолоджує, але відчутно економить електрику. Є режим "нічний", коли вентилятори і компресор працюють тихіше і економічніше, підлаштовуючи температуру вночі.
• Використання нових холодоагентів. Як уже зазначалося, перехід на R32 підвищив енергоефективність на ~5% за рахунок термодинамічних властивостей. У майбутньому можливі ще більш ефективні фреони.

Переваги: завдяки новим холодоагентам виробники роблять обладнання компактнішим (менше навантаження - менший розмір компресора і радіаторів), що теж побічно впливає на енергоспоживання (менше матеріалів - менше тепловтрат тощо).

• Рекуперація і додаткові режими. У деяких мультиспліт-системах реалізовано режим одночасного охолодження одних приміщень і нагріву інших із перетіканням тепла всередині фреонового контуру - це ефективно утилізує тепло, а не скидає все назовні. Промислові VRF-системи можуть досягати сумарного COP > 6 у такому режимі.
• Зниження втрат в електроніці. Інверторні плати вдосконалюються - IGBT-транзистори, PFC-коректори покращують ККД перетворювачів. Усе це трохи, але знижує споживання.
• Смарт-функції та "розумний дім". Нарешті, з'явилася концепція "смарт-кондиціонера" - пристрій під'єднується до інтернету й інтегрується в систему "розумного будинку".

Переваги: це не тільки про зручність, а й про енергоефективність: можна віддалено вимкнути забутий кондиціонер або ввімкнути його заздалегідь, щоб не ганяти даремно. Також аналіз великих даних (наприклад, сам кондиціонер може підлаштовувати алгоритм роботи на основі статистики використання) - все це кроки до більш раціонального споживання енергії.

Сучасні спліт-системи стали розумнішими, економічнішими та екологічнішими. Інверторні технології, поліпшені теплообмінники та інтелектуальне управління дають змогу економити до 40% електроенергії. Топові моделі з класом A+++ забезпечують максимальну ефективність при мінімальному споживанні електроенергії.