В мире современных технологий и стремительного развития области кондиционирования воздуха, пассивные кондиционеры представляют собой инновационный подход к обеспечению комфортных условий в помещениях. Эти системы, основанные на использовании естественных процессов теплообмена и охлаждения, открывают новые перспективы для энергоэффективного и экологически устойчивого кондиционирования воздуха.
В данной статье мы рассмотрим устройство, принцип работы, а также преимущества и недостатки пассивных кондиционеров, предоставляя вам полное представление о этой передовой технологии.
Общие сведения
Понятие «пассивный кондиционер» или «безмашинное охлаждение» относится к специфике перевода иностранных определений на русский язык. Давайте разберемся, что подразумевается под этими терминами?
С развитием энергосберегающих технологий люди всё чаще обращаются к бесплатным ресурсам, таким как солнечная энергия, ветер, вода и земля. В области кондиционирования воздуха также ищутся способы использования этих ресурсов, и пассивный кондиционер является примером такого подхода.
Пассивный кондиционер относится к оборудованию, такому как фанкойл, тепловой насос и чиллер. Он должен обеспечивать охлаждение помещения, а иногда и нагрев воздуха. В отличие от обычного кондиционера, который использует холодильный контур с компрессором, конденсатором, испарителем и дросселирующим устройством для охлаждения/нагрева воздуха, пассивный кондиционер не имеет таких элементов. Вместо этого он использует только контур с хладоносителем.
Таким образом, пассивный кондиционер основан на принципе использования хладоносителя для охлаждения/нагрева воздуха без использования холодильного контура и соответствующих элементов.
Примеры из истории
Специалисты сходятся во мнении, что установка кондиционера по типу сплит-системы это не самое эффективное и экономичное решение для, например, дачи или загородного дома. Однако существует несколько методик, которыми люди пользуются уже тысячелетиями по всему миру. В этом разделе мы кратко рассмотрим исторический аспект термина “пассивный кондиционер”, и в каком виде он существовал до появления современных климатических систем.
Строительство можно основывать на свойствах материалов и естественных процессах. Камень и глина – материалы, которые медленно поглощают и отдают тепло. Стоит отметить, что большинство построек в жарких странах, созданных развитыми народами, изготовлены именно из этих материалов.
В Иране до сих пор используются баджиры (или «собирающие ветер») – это высокие башни, установленные на крышах домов. Башни, имеющие от восьми до четырех углов и высотой около 5-7 метров, оборудованы узкими отверстиями в верхней части, через которые ветер попадает внутрь и опускается вниз, охлаждаясь при этом благодаря глине или камню. Подобная технология использовалась также в Персии, где «ловцы ветров» имели более простую конструкцию.
В Израиле также сохранились предки современных кондиционеров: пассивные кондиционеры (глиняные стены), состоящие из отверстий – сот (круглых, прямоугольных). Ветер, проходя сквозь них, охлаждался.
Примечательно, что идеи, унаследованные от наших давних предков, могут легко воплотиться и применяться на вашей даче. Возможно построить башню из кирпича на крыше, высотой 1.5-2 метра, с узкими длинными зазорами в верхней части на каждой стороне башни, не менее 0,5 метра длиной. Затем можно продлить башню в комнату с помощью трубы такого же диаметра, и ваш пассивный кондиционер готов.
Второй вариант, вдохновленный израильским опытом, может удачно дополнить ландшафтный дизайн вашей территории. Сотовая стенка, помимо охлаждения воздуха, будет служить прекрасной поддержкой для вьющихся растений. Вместо обычных решеток-трельяжей можно установить такую сотовую опору из глиняного кирпича или камня. Для оптимальной работы технологии важно узнать, в каком направлении дует ветер в вашем регионе. На больших участках можно разместить несколько таких каменных решеток, избегая установки их вдоль высоких глухих заборов, что сделает их неэффективными.
«Сотовые стены» также могут использоваться для украшения дома. Например, если у вас есть веранда, то по краям ее можно оградить «сотовыми стенами» из кирпича вместо обычной деревянной решетки, и ваша веранда станет прохладным убежищем от летнего зноя.
Оба способа очень доступны и легки в реализации, и будут хорошо выполнять функции кондиционера за городом – охлаждать воздух. Опыт, переданный нам от древних, проверенный веками, заслуживает внимания.
Устройство
Существует разнообразие способов кондиционирования воздуха, и мы привыкли к представлению о кондиционере как о длинной штуке, висящей под потолком, из которой идет холодный воздух, а снаружи стены дома находится коробка с вентилятором, выпускающая конденсат. Однако пассивные кондиционеры устроены иначе.
Простейший и относительно доступный вариант пассивного кондиционирования включает следующие компоненты:
- Геотермальный контур (скважина в земле).
- Фанкойл.
- Циркуляционный насос.
- Теплоноситель в контуре.
Эта система способна снижать температуру в помещении на 4 – 6 °С и имеет мощность от 1 до 2 кВт. Производители обычно заявляют показатели в 2 кВт и более, но фактическая мощность зависит от региона, типа грунта и общей температуры как воздуха, так и грунта. В среднем, можно ожидать мощности около 1 кВт.
Если мощности этой системы недостаточно, можно добавить тепловой насос. Это дорого, но в долгосрочной перспективе может окупиться. Создание системы отопления и кондиционирования на базе теплового насоса с геотермальным контуром изначально может быть выгодным решением.
Однако использовать тепловой насос только для охлаждения воздуха летом может быть неэффективно, в основном из-за высокой изначальной стоимости такого оборудования.
Фанкойлы
Устройства под названием фанкойлы, которые иногда также называют «полукондиционерами», являются следующим элементом в системе, обеспечивающей пассивное охлаждение. Фанкойл состоит из нескольких ключевых компонентов, включая теплообменник, вентилятор, фильтр и блок управления.
Теплообменник внутри фанкойла используется для циркуляции хладагента или теплоносителя. Вентилятор направляет воздух к теплообменнику, где он охлаждается и затем выдувается обратно в помещение. Фильтр предназначен для очистки воздуха от загрязнений, а блок управления контролирует температуру воздуха в помещении.
Вентилятор фанкойла распределяет воздух равномерно по всей площади теплообменника, чтобы обеспечить равномерное охлаждение или нагревание воздуха. В зависимости от типа фанкойла, вентилятор может быть тангенциальным для малых помещений или центробежным для средних и крупных помещений.
Теплообменник и трубы, связанные с ним, обычно изготовлены из меди. Хладагент или теплоноситель, такие как вода или раствор этиленгликоля, проходят через трубы в теплообменнике.
Фанкойлы могут регулировать температуру воздуха в помещении двумя способами: изменением объема поступающего воздуха или изменением объема воды в теплообменнике. Расход воды регулируется с помощью клапана, который изменяет диаметр трубы, а расход воздуха контролируется изменением оборотов вентилятора.
Фанкойлы могут быть установлены в различных помещениях, где необходимо кондиционирование воздуха, и их стоимость начинается от 200 долларов. Внешне они выглядят как обычные кондиционеры мощностью 2 кВт и обычно оснащены пультом дистанционного управления и регулятором скорости охлаждения.
Циркуляционный насос
Циркуляционный насос выполняет функцию принудительной циркуляции жидкости по контуру системы. Вода проходит через геотермальный контур, где охлаждается, и направляется прямо в теплообменник фанкойла.
Потребление электроэнергии циркуляционным насосом минимально, а стоимость самого насоса составляет около 100 долларов США. Работы по установке всей системы пассивного охлаждения обойдутся примерно в 100 долларов США. Таким образом, общая стоимость пассивного кондиционера составит около 600 долларов США, что примерно соответствует стоимости обычной сплит-системы.
Помимо упомянутых элементов пассивного кондиционера, в систему можно включить тепловой насос. Если мощности базовых элементов недостаточно, то хладагент дополнительно охлаждается в компрессоре и только после этого поступает в теплообменник фанкойла.
Геотермальный контур и скважина
Геотермальный контур представляет собой вертикальную скважину в земле, из которой извлекается тепловая энергия. Глубокая скважина может обеспечить большее количество тепловой энергии. Например, скважина глубиной 40 метров может выдать 2 кВт энергии, что практически равно мощности сплит-системы.
Внутрь скважины опускается коллектор из U-образных пластиковых труб, которые считаются оптимальным материалом благодаря своей низкой стоимости и долговечности в эксплуатации. Трубы заполняются жидкостью, называемой хладагентом, которая циркулирует по системе. В пассивном кондиционере может использоваться обычная вода вместо специального хладагента, что снижает эксплуатационные расходы.
Важно учитывать, что если используется тепловой насос, то в качестве теплоносителя необходимо использовать специальную жидкость — хладагент.
Расходы на бурение скважины глубиной 40 м обычно не превышают 500 долларов США. Стоимость комплекта пластиковых труб и соединительных элементов составляет около 100 долларов США.
Кроме скважины в земле, можно также использовать коллектор, опущенный в воду, где температура достаточна для охлаждения хладагента. Например, коллектор можно опустить в скважину с холодной водой или в горную реку.
Принцип работы
Давайте подробно изучим, как работает пассивный кондиционер и как вентиляция и кондиционирование воздуха осуществляются в помещениях.
Предположим, что в системе используется обычная вода. Проходя через грунтовый теплообменник, который мы ранее назвали геотермальным контуром, вода охлаждается до определенной температуры, которая значительно ниже температуры окружающей среды на поверхности земли. Например, при +30 °C за окном, вода достигает температуры +19,5 °C, когда подходит к теплообменнику в фанкойле.
Охлаждая воздух, проходящий через теплообменник фанкойла, вода нагревается и выходит из теплообменника с температурой +21,2 °C. Разница в температуре кажется незначительной, но давайте рассмотрим более детально.
Охлаждение воздуха происходит с мощностью 715 Вт в час. Однако энергопотребление невелико: фанкойл потребляет всего 70 Вт, а циркуляционный насос – 120 Вт. Важно учитывать, что может быть несколько насосов, и их потребление нужно суммировать.
После того как вода передала свой холод воздуху, она возвращается в грунтовый коллектор, где снова охлаждается, и процесс повторяется.
Важно! Чем выше температура за окном, тем эффективнее работает пассивный кондиционер. При низкой температуре, например, +20 °C, эффективность пассивного охлаждения близка к нулю из-за маленькой разницы в температурах воды и воздуха.
Если в системе будет использоваться раствор этиленгликоля вместо воды, а также будет добавлен тепловой насос с компрессором, эффективность работы кондиционера значительно повысится, но и затраты тоже увеличатся.
Одной из основных проблем пассивных кондиционеров с грунтовым коллектором является гидравлическое сопротивление, из-за которого приходится увеличивать мощность циркуляционных насосов.
Простым решением этой проблемы является использование наименее вязкого теплоносителя. Например, если используется вода, то лучше использовать дистиллированную воду, разбавленную смягчителями, чтобы уменьшить вязкость.
Дополнительно можно принять следующие меры:
- Уменьшить крутизну поворотов труб в системе, заменив поворотные элементы на косые с тупым углом.
- Сократить количество муфт, изменяющих диаметр сечения трубопровода, и использовать муфты без изменения диаметра.
- Минимизировать количество запорной арматуры, таких как вентили.
- Использовать фанкойлы с трубами теплообменника большего диаметра.
Исключение из системы элементов с наибольшим сопротивлением может существенно повысить эффективность пассивного кондиционера с грунтовым коллектором.
Другим важным аспектом работы пассивного кондиционера является вентиляция. Для нормальной работы фанкойлов необходим поступление свежего воздуха. Стоит отметить, что в отличие от сплит-систем, фанкойлы могут использоваться при открытых окнах.
Помимо природного притока воздуха через окна, можно использовать центральный кондиционер, установленный на крыше или чердаке здания, для подачи воздуха.
Альтернативные варианты пассивного охлаждения
Пассивное охлаждение не всегда осуществляется с помощью фанкойлов. Например, в помещениях, где нежелательны лишние воздушные потоки или шум от вентиляторов, можно использовать так называемые холодные стены, потолки или полы.
Система холодных полов аналогична системе «теплого пола». Под напольным покрытием прокладываются трубы, по которым циркулирует охлажденная жидкость, охлаждая поверхность пола.
Холодные стены и потолки также обладают высокой эффективностью. От охлажденного потолка воздух опускается вниз в соответствии с законами физики, обеспечивая оптимальную температуру в помещении.
Хотя пол, потолок и стены называются холодными, это условное определение. Обычно температура этих поверхностей не опускается ниже +15 — +16 °С, чтобы избежать образования конденсата.
Преимущества и недостатки
На данный момент, сравнивая с традиционным кондиционером, пассивный кондиционер выделяется по показателю энергоэффективности. Стандартная сплит-система потребляет около 750 Вт и более, в то время как новая разработка всего 120 Вт.
Однако у пассивной системы кондиционирования есть несколько недостатков:
- Высокая стоимость установки. Для настройки системы потребуется значительные затраты, включая стоимость оборудования, материалов для трубопроводов, услуги по бурению скважин и установке компонентов.
- Пассивный кондиционер предназначен только для охлаждения. Для обеспечения функции обогрева потребуется дополнительная покупка теплового насоса, что увеличивает стоимость и усложняет установку.
- Для предотвращения проблем с бурением скважин можно проложить трубопроводы в ближайшие водные источники, например, реку, но не каждый может себе это позволить.
- Дополнительным источником энергии могут стать солнечные батареи или генераторы топлива, но это также дорогостоящее решение.
На сегодняшний день среди специалистов идут дебаты относительно применения пассивного кондиционера, и мнения различаются. Однако энергосберегающие технологии представляют будущее и в ближайшее время они будут широко использоваться в различных сферах.
Заключение
В итоге, пассивные кондиционеры представляют собой инновационное решение для кондиционирования воздуха в помещениях с минимальным энергопотреблением и экологической нагрузкой. Они основаны на использовании естественных процессов охлаждения и теплообмена, что делает их эффективными и экономически выгодными в долгосрочной перспективе.
Принцип работы пассивных кондиционеров, включая использование геотермальных контуров, циркуляционных насосов и фанкойлов, позволяет поддерживать комфортный уровень температуры в помещении без значительных энергозатрат. Это особенно актуально в регионах с жарким климатом, где температуры могут достигать высоких значений.
Однако, несмотря на их множество преимуществ, пассивные кондиционеры имеют и недостатки, такие как высокие начальные затраты на установку и ограниченные возможности регулирования температуры воздуха. Несмотря на это, их экологическая дружелюбность и эффективность делают их привлекательным вариантом для тех, кто стремится к снижению энергопотребления и сохранению окружающей среды.
