Klimatyzatory w domu

To najlepszy sposób na ochłodzenie kuchni w upalny letni dzień? Jeśli twoja natychmiastowa odpowiedź brzmi „Otwórz drzwi lodówki”, jesteś daleko od celu. Każdy kawałek ciepła, który lodówka zasysa przez chłodziarkę, jest wypompowywany prosto z metalowych żeberek z tyłu. Jeśli już, z powodu czystej nieefektywności maszyny, sprawisz, że pomieszczenie będzie jeszcze cieplejsze. Ale używanie lodówki do chłodzenia domu nie jest tak szalonym pomysłem, jak mogłoby się wydawać: z kilkoma drobnymi modyfikacjami, prawie tak samo działa klimatyzator . Przyjrzyjmy się bliżej!

 

Typowy klimatyzator na zewnątrz restauracji. To wentylator, który wydmuchuje gorące powietrze. Jest jeszcze jeden wentylator, którego nie widać, krąży chłodne powietrze wewnątrz budynku. Większość klimatyzatorów jest zamocowana na stałe w jednym miejscu, ale można też dostać małe przenośne klimatyzatory.

 

Fizyka mówi nam, że nie można schłodzić kuchni przez pozostawienie otwartych drzwi lodówki, ponieważ energia cieplna „zassana” do szafki chłodniczej jest po prostu ponownie wypompowywana przez żebra chłodzące z tyłu.

 

Podstawowe prawo fizyki zwane zachowaniem energii mówi, że nie możesz wytwarzać ani niszczyć energii : jeśli masz energię, której nie chcesz (np. ciepło w kuchni), nie możesz się jej całkowicie pozbyć. Wszystko, co możesz zrobić, to zmienić go w inną formę lub przenieść w inne miejsce. Jeśli otworzysz drzwi lodówki w nadziei, że ochłodzisz kuchnię, całe ciepło, które dostaje się do lodówki, musi odejść gdzie indziej. Jedynym miejscem, do którego może się udać, jest tył maszyny. Być może zauważyłeś, że siatka żeberek z tyłu lodówki bardzo się nagrzewa – i dlatego: wydzielają całe ciepło, które normalnie byłoby w środku. Więcej dowiesz się z naszego artykułu o tym, jak działają lodówki .

 

Jak zbudować klimatyzator

Ale nie wszystko stracone! Zamiast pozwolić, by potęga nauki nas pokonała, musimy po prostu wykorzystać ją we właściwy sposób.

Załóżmy, że bierzesz lodówkę i budujesz wokół niej swój dom, tak aby połowa maszyny (szafa chłodziarki) znajdowała się w twoim domu, a druga połowa (siatka gorących żeber z tyłu) była na zewnątrz. Teraz, jeśli zostawisz otwarte drzwi, otrzymasz pełnowartościowy klimatyzator. Zasysa ciepło z wnętrza domu i wypuszcza je na zewnątrz, stopniowo schładzając dom.

Najprostsze jednostki klimatyzacyjne działają prawie dokładnie w ten sposób, z wyjątkiem tego, że mają wentylatory po obu stronach, które zapewniają szybszą cyrkulację powietrza. Mają w sobie również grzałkę, dzięki czemu mogą ogrzać powietrze w pomieszczeniu w chłodne dni, a w ciepłe dni ochłodzić je. Takie maszyny są czasami nazywane HVAC (jednostki klimatyzacyjne do ogrzewania i wentylacji). Bardziej wyrafinowane klimatyzatory wykorzystują długie kanały do ​​rur ogrzanego lub schłodzonego powietrza w całym budynku, ale nadal działają zasadniczo w ten sam sposób.

Jak działa klimatyzator?

Ciepłe powietrze z pomieszczenia jest zasysane przez kratkę u podstawy maszyny

Powietrze przepływa przez niektóre rury agregatu chłodniczego, przez które krąży płyn chłodzący. Ta część maszyny działa podobnie jak szafka chłodnicza w lodówce. Schładza napływające powietrze, a osuszacz usuwa nadmiar wilgoci.

Powietrze przepływa następnie przez element grzejny (podobny do tego w termowentylatorze). W chłodny dzień tę część urządzenia można odwrócić do góry, aby HVAC działał jak grzejnik. Montaż klimatyzacji to dobre rozwiazanie.

Wentylator na górze wdmuchuje powietrze z powrotem przez kolejną kratkę do pomieszczenia. Jeśli grzałka jest przyciszona, powietrze ponownie wlatujące do pomieszczenia jest znacznie chłodniejsze, więc pomieszczenie stopniowo się ochładza.

W międzyczasie czynnik chłodzący (lotna ciecz, która łatwo odparowuje) przepływa przez rury agregatu chłodniczego. Gdy to robi, odbiera ciepło z powietrza przepływającego przez rury i odparowuje, zamieniając się z chłodnej cieczy w gorętszy gaz. Przenosi to ciepło z wnętrza pomieszczenia na zewnątrz budynku, gdzie oddaje je na zewnątrz. Opisano również to tutaj https://www.duer.pl/klimatyzacja/warszawa/bielany/. Jak? Podobnie jak w lodówce, płyn chłodzący przepływa przez sprężarkę i kilka rur kondensacyjnych, które zamieniają go z powrotem w chłodną ciecz, gotową do ponownego okrążenia pętli.

Co dzieje się z upałem? W jednostce na zewnątrz budynku znajduje się wiele metalowych płyt, które odprowadzają ciepło do atmosfery. Elektryczny wentylator przedmuchuje je powietrzem, aby przyspieszyć proces.

Z biegiem czasu ciepło wewnątrz budynku stopniowo wypompowuje się do powietrza na zewnątrz.

Klimatyzator Daikin: widok z przodu Klimatyzator Daikin: widok z boku i zbliżenie metalowych płyt rozpraszających ciepło

Zdjęcia: Gdzie idzie upał? Rozejrzyj się po bokach takiego klimatyzatora, a zobaczysz, że jest on wypełniony metalowymi płytami rozpraszającymi ciepło. Możesz nawet poczuć wydzielane ciepło, gdy wentylator zasysa lub wdmuchuje powietrze obok nich. Obraz po prawej stronie to zbliżenie czarnego obszaru zaznaczonego na środkowym zdjęciu.

Klimatyzatory w samochodach

Klimatyzatory samochodowe działają tak samo jak domowe i biurowe, tyle że są dużo mniejsze. Część chłodnicza (która zawiera zawór rozprężny i parownik) jest zamontowana za deską rozdzielczą samochodu, rozpraszacz ciepła (zawierający sprężarkę i skraplacz) jest zamontowany w pobliżu osłony chłodnicy samochodu (gdzie powietrze przepływa podczas jazdy), a te dwie rzeczy są połączone obwodem rur, przez które przepływa płyn chłodzący, gdy włączona jest klimatyzacja. W przeciwieństwie do statycznej jednostki w budynku, która jest całkowicie zasilana energią elektryczną, sprężarka w samochodzie jest napędzana wałem korbowym (napędzanym przez silnik, innymi słowy). Zwykle jest tam grzałka (dzięki czemu można regulować temperaturę w przedziale pasażerskim) i osuszacz (czasami nazywany odbiornikiem/osuszaczem).

 

Jak działa system klimatyzacji samochodu.  Oznakowane główne części i obwód.

 

Grafika: Jak działa klimatyzacja samochodowa (uproszczona). 1) Parownik pochłania ciepło z kabiny pasażerskiej, co powoduje, że płyn chłodzący w nim wrze i zamienia się z cieczy o niskim ciśnieniu w gaz o niskim ciśnieniu. 2) Płyn chłodzący wypływa z komory do sprężarki zabierając ze sobą ciepło. Wchodzi do sprężarki jako niskociśnieniowy, stosunkowo niskotemperaturowy gaz. 3) Sprężarka ściska płyn chłodzący, dzięki czemu staje się gazem o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze. 4) Płyn chłodzący wpływa do skraplacza i (niespodzianka) skrapla się: oddaje swoje ciepło do atmosfery, więc zamienia się z powrotem w ciecz o wysokim ciśnieniu i niskiej temperaturze i przepływa (przez odbiornik/osuszacz, nie pokazano ) do zaworu rozprężnego. 5) Zawór rozprężny umożliwia rozprężanie chłodziwa do cieczy pod niskim ciśnieniem. 6) Płyn chłodzący pod niskim ciśnieniem wpływa do parownika i cały cykl się powtarza. Z biegiem czasu ciepło jest zasysane z wnętrza kabiny do powietrza na zewnątrz, schładzając samochód.

 

Jak klimatyzatory mogą szkodzić środowisku?

Prawdopodobnie uwielbiasz uczucie świeżo schłodzonego powietrza w upalny dzień, ale nie zapominaj, że prawo nazywa się zachowaniem energii! Za uzyskanie czegoś dobrego w naszym wszechświecie zawsze trzeba zapłacić. W tym przypadku ceną jest energia potrzebna do uruchomienia klimatyzatora; korzystanie z energii oznacza, że ​​masz wpływ na twoją kieszeń, a także na planetę w postaci problemów środowiskowych, takich jak globalne ocieplenie . Ekolodzy twierdzą, że powinniśmy używać mniej klimatyzacji, co brzmi łatwiej niż w naprawdę gorącym klimacie. Ważne jest, aby pamiętać, że klimatyzacja to nie tylko luksus czy komfort: klimatyzowane pomieszczenie może znacznie zwiększyć produktywność w pracy, a także może przynieść ważne korzyści zdrowotne; niektórzy lekarze zdrowia publicznego sugerowaliże większe wykorzystanie klimatyzacji w Stanach Zjednoczonych jest jednym z powodów, dla których jest tam mniej zgonów związanych z upałami niż w Europie, gdzie klimatyzacja jest używana rzadziej. Czasami mówi się, że jeśli ludzie nie mają klimatyzacji, są bardziej skłonni do korzystania z takich rzeczy jak wentylatory elektryczne, które działają bardzo nieefektywnie (zmiana rozmieszczenia gorącego powietrza zamiast usuwania go i wytwarzania ciepła za pomocą własnych silników elektrycznych). Ale największe elektryczne wentylatory biurkowe (zwykle o mocy 25-50 watów) zużywają ułamek takiej ilości energii, jak najmniejsze klimatyzatory (zwykle o mocy 750-1000 watów); możesz użyć około 20–30 wentylatorów i zużywać tyle samo lub mniej energii niż kompaktowy klimatyzator!

Więc jakie są szkody dla środowiska? Rozważmy najpierw energię. Za każdym razem, gdy włączasz klimatyzację w samochodzie, dodajesz dodatkowe 10-20% do zużycia paliwa (i dodatkowe 10-20% do ceny, którą płacisz na stacji benzynowej). Przy niskich prędkościach otwarcie okna jest często lepszą opcją, chociaż przy wyższych prędkościach powodujesz opór powietrza (przeciąganie) i marnujesz więcej energii niż oszczędzasz. W domu korzystanie z klimatyzatora znacznie zwiększy Twoje rachunki za prąd ; kiedy fizyk Tom Murphy naukowo przetestował swoją klimatyzacjęodkrył, że zużył „więcej energii elektrycznej w ciągu dwóch dni niż normalnie zużywamy w ciągu miesiąca”. Możesz wypróbować inne strategie, takie jak otwieranie okien na całą noc, ale zamykanie ich szczelnie z samego rana i przez cały dzień, aby nie dopuścić do gorącego powietrza w domu. W naprawdę gorącym klimacie może się okazać, że po prostu nie możesz się obejść bez klimatyzacji; mimo to możesz radykalnie obniżyć koszty (i ilość zużywanej energii), po prostu przestawiając termostat na nieco wyższe ustawienie.

 

Klimatyzatory miały również inny bardzo szkodliwy wpływ na środowisko. Do końca XX wieku najczęściej używano chemikaliów do chłodziwa, znanych jako chlorofluorowęglowodory (CFC) (nazywane tak, ponieważ są one wytwarzane z chloru, fluoru i węgla), które były również szeroko stosowane w lodówkach. Kiedy stare klimatyzatory i lodówki zostały rozbite na złom pod koniec ich życia, chemikalia chłodzące przedostały się do atmosfery. Unosząc się do stratosfery (górnej atmosfery), szybko uszkodziły warstwę ozonową Ziemi : naturalny filtr przeciwsłoneczny, który pomaga chronić nas przed szkodliwymi promieniami ultrafioletowymi Słońca. Większość nowoczesnych klimatyzatorów unika CFC (obecnie zakazanych w wielu krajach na mocy globalnego porozumienia o nazwieProtokół Montrealski ) i zamiast nich stosować alternatywne chemikalia do chłodziwa (zazwyczaj chlorowcowane chlorofluorowęglowodory lub HCFC). Jeśli przyjrzysz się uważnie naszemu górnemu zdjęciu, zobaczysz, że wentylator ma zieloną etykietę „przyjazny dla ozonu”, co oznacza, że ​​​​w środku nie ma chłodziw CFC.

Uwielbiam to lub nienawidzę, nie będziemy w najbliższym czasie pozbywać się naszych klimatyzatorów; na przykład w Stanach Zjednoczonych wszystkie trendy zmierzają w odwrotną stronę. Według ankiety przeprowadzonej w 2009 r. przez amerykańską Administrację Informacji Energetycznej (EIA), 87 procent amerykańskich gospodarstw domowych jest obecnie wyposażonych w klimatyzację, a od 1980 roku w każdym regionie kraju nastąpił dramatyczny wzrost. Zmieniające się oczekiwania pomogły napędzać ten trend: około 90 procent nowych domów jest obecnie wyposażonych w klimatyzację. Zamożne domy częściej korzystają ze scentralizowanych systemów klimatyzacji, które chłodzą cały budynek; biedniejsze domy polegają na mniejszych klimatyzatorach pokojowych montowanych w oknach lub ścianach. Chociaż systemy scentralizowane są w przeważającej mierze najbardziej popularne na południu, środkowym zachodzie i zachodzie kraju, jednostki oparte na pokojach są nadal znacznie bardziej popularne na chłodniejszym północnym wschodzie. Nic dziwnego, badanie z 2017 r. EIA stwierdziła, że ​​klimatyzacja w budynkach mieszkalnych zużywa 18 procent energii elektrycznej w gospodarstwach domowych w USA i powoduje dramatyczny wzrost zużycia w miesiącach letnich.

 

Kto wynalazł klimatyzatory?

 

Zdjęcie: Jeden z projektów klimatyzatorów Willis Carrier. Ten diagram jest częścią amerykańskiego patentu Carriera nr 675,144, złożonego w 1933 r. i wznowionego w 1941 r., który znajdziesz wśród poniższych odnośników. Zdjęcie dzięki uprzejmości Urzędu Patentów i Znaków Towarowych USA.

 

Jeśli nie możesz żyć bez klimatyzacji, podziękuj Willis Carrier (1876–1950). Był człowiekiem, który zapoczątkował ten „fajny materiał” na początku XX wieku. Oto jeden z jego wczesnych projektów — i zauważ, jak bardzo przypomina mój szybki szkic powyżej. Jak to działa? Ciepłe powietrze jest wciągane z pomieszczenia (1), mieszane ze świeżym powietrzem (2), uzdatniane i wdmuchiwane z powrotem do pomieszczenia przez wentylator (3). Ciepło jest odprowadzane przez rury chłodziarki w środku kanału (4), które są zasilane i sterowane przez system pomp, sprężarek, zaworów i termostatów (5).

 

Wyparne chłodnice powietrza

Jeśli wyłączasz klimatyzację, myśląc o wysokich rachunkach za prąd i szkodzących planecie, chłodnice powietrza działające na zasadzie parowania to kolejna opcja do rozważenia.

 

Chłodzenie wyparne może wydawać się skomplikowane, ale jest nam wszystkim znane. Psy zachowują chłód bez klimatyzacji, po prostu wystawiając języki i dysząc; gorący biegacze stosują podobną sztuczkę, obficie się pocąc, aby pozbyć się ciepła ze swoich ciał. Kiedy ciekła woda odparowuje i zamienia się w parę wodną, ​​pochłania ciepło, znane jako utajone ciepło parowania, które musi usunąć z czegoś w pobliżu (być może zdyszanego psa lub spoconego sportowca). Wykorzystując tę ​​naukę w praktyce, możemy wykorzystać parowanie do usunięcia ciepła z pomieszczenia, pod warunkiem, że w pobliżu mamy podręczny zapas wody.

 

Przenośne chłodnice powietrza (czasami znane jako chłodnice powietrza wyparne lub „chłodnice bagienne”) wyglądają trochę jak klimatyzatory na kółkach, ale działają w zupełnie inny sposób. Tam, gdzie klimatyzator działa jak lodówka, rozszerzając, a następnie kompresując chłodziwo chemiczne, aby przenieść ciepło z wnętrza budynku na zewnątrz, chłodnica powietrza zasysa gorące powietrze, przepuszcza je przez lub w pobliżu wody, aby je schłodzić, a następnie wydmuchuje je z powrotem do pokoju. Istnieją dwa subtelnie różne typy chłodnic powietrza:

 

Jeden z nich przepuszcza powietrze przez rodzaj wypełnionej wodą „gąbki”, odparowując kropelki wody w powietrze, schładzając je i jednocześnie czyniąc je bardziej wilgotnymi. Nazywa się to parowaniem bezpośrednim, ponieważ powietrze i woda spotykają się — wymieniają ciepło, wchodząc w bezpośredni kontakt.

W nieco innej konfiguracji napływające powietrze wieje przez wymiennik ciepła z zimną wodą krążącą w przeciwnym kierunku. Tutaj woda i powietrze nie stykają się, dlatego nazywa się to parowaniem pośrednim . Pośrednie parowanie polega na przemieszczaniu dwóch strumieni płynu zamiast jednego, co wymaga dodatkowego wentylatora/pompy, więc zużywa więcej energii (elektryczności).

Jak działa chłodnica ewaporacyjna.

 

Grafika: Jak działa chłodnica wyparna. 1) Gorące, suche powietrze jest zasysane przez kratkę. 2) Powietrze przechodzi przez podkładkę nasączoną zimną wodą. 3) Część wody wyparowuje, ochładzając powietrze i czyniąc je bardziej wilgotnym. Wentylator wdmuchuje schłodzone, wilgotne powietrze z powrotem do pomieszczenia. 4) Więcej wody jest dodawane do wkładki przez wewnętrzny zbiornik, który okresowo wymaga uzupełniania.

 

Chłodnice powietrza mogą być znacznie tańsze w eksploatacji niż klimatyzatory, ale nie chłodzą tak dramatycznie. Z drugiej strony są znacznie bardziej przenośne; na minus mają wewnętrzne zbiorniki, które wymagają okresowego uzupełniania wody (i lodu, jeśli chcesz, aby poprawić wydajność) lub stałego podłączenia do źródła wody za pomocą węża ogrodowego. Zwykle najlepiej sprawdzają się w gorącym, suchym klimacie, gdzie wilgotność jest dość niska (poniżej około 60 procent), ponieważ niższa wilgotność oznacza bardziej efektywne parowanie i chłodzenie.

 

W przeciwieństwie do klimatyzatorów, które działają najlepiej, gdy drzwi i okna są zamknięte, chłodnice powietrza muszą być umieszczone w dobrym strumieniu powietrza w pobliżu otwartego okna (gdzie wchodzi suche świeże powietrze) i przy otwartych drzwiach (dla wilgotnego powietrza wywiewanego wypłynąć). Ma to sens, jeśli się nad tym zastanowisz: woda, którą dodajesz do strumienia powietrza, „pochłania” ciepło z pomieszczenia, a jeśli stale usuwasz wilgotne powietrze, jednocześnie pozwalając suchemu wchodzić w jego miejsce, nieustannie usuwasz ciepło. Chłodnice powietrza, które działają poprzez bezpośrednie odparowanie (dodawanie wody), mogą być również używane jako nawilżacze, chociaż w takim przypadku drzwi i okna muszą być zamknięte, aby umożliwić wzrost wilgotności.

Leave a Reply