Тема 6. Расчет воздухообмена при кондиционировании

Онлайн-калькулятор расчета холодопроизводительности

Чтобы самостоятельно подобрать мощность домашнего кондиционера, воспользуйтесь упрощенной методикой расчета по площади охлаждаемой комнаты, реализованной в калькуляторе. Нюансы работы онлайн-программы и вводимые параметры описаны ниже в инструкции.

Примечание. Программа годится для вычисления производительности бытовых охладителей и сплит-систем, устанавливаемых в небольших офисах. Кондиционирование помещений в промышленных зданиях – задача более сложная, решаемая с помощью специализированных программных комплексов либо расчетной методики СНиП.

Инструкция по использованию программы

Теперь объясним пошагово, как рассчитать мощность кондиционера на представленном калькуляторе:

1. В первые 2 поля введите значения площади комнаты в квадратных метрах и высоту потолка.
2. Выберите степень освещенности (инсоляции) сквозь оконные проемы. Проникающий внутрь помещения солнечный свет дополнительно нагревает воздух – данный фактор нужно учитывать.
3. В следующем выпадающем меню выберите количество жильцов, пребывающих в комнате длительное время.
4. На остальных вкладках сделайте выбор числа телевизоров и персональных компьютеров, находящихся в зоне кондиционирования. В процессе работы указанная бытовая техника тоже выделяет тепло и подлежит учету.
5. Если в помещении установлен холодильник, введите в предпоследнее поле значение электрической мощности бытового прибора. Характеристику легко узнать из инструкции по эксплуатации изделия.
6. Последняя вкладка позволяет учесть приточный воздух, поступающий в зону охлаждения благодаря вентиляции. Согласно нормативным документам, рекомендуемая величина кратности для жилых помещений составляет 1—1.5.

Для справки. Кратность воздухообмена показывает, сколько раз в течение одного часа происходит полное обновление воздуха комнаты.

Разъясним некоторые нюансы правильного заполнения полей и выбора вкладок. Указывая число компьютеров и телевизоров, учитывайте одновременность их работы. Например, один жилец редко использует оба электроприбора одновременно.

Соответственно, для определения нужной мощности сплит-системы выбирается единица бытовой техники, которая потребляет больше энергии, — компьютер. Теплоотдача ТВ-приемника не учитывается.

В калькуляторе заложены следующие значения теплоотдачи от домашних приборов:

• телевизор – 0.2 кВт;
• персональный компьютер – 0.3 кВт;
• поскольку холодильник превращает в тепло около 30% потребляемой электроэнергии, программа включает в вычисления 1/3 от введенной цифры.

Совет. Тепловыделения вашей техники могут отличаться от указанных величин. Пример: потребление игрового компьютера с мощным видеопроцессором достигает 500—600 Вт, ноутбука – 50—150 Вт. Зная заложенные в программе цифры, легко подобрать нужные значения: для игрового ПК выберите 2 стандартных компьютера, вместо ноутбука возьмите 1 ТВ-приемник.

Калькулятор позволяет исключить теплопоступления от приточного воздуха, но выбирать данную вкладку не совсем правильно. Воздушные потоки в любом случае циркулируют по жилищу, принося тепло из других комнат, например, кухни. Лучше перестраховаться и включить их в расчет кондиционера, дабы его производительности хватило на создание комфортной температуры.

Основной результат расчета мощности измеряется в киловаттах, дополнительный – в Британских Тепловых Единицах (BTU). Соотношение следующее: 1 кВт ? 3412 BTU или 3.412 kBTU. Как подобрать сплит-систему на основании полученных цифр, читайте далее.

Что такое СКВ промышленных помещений

Системы кондиционирования воздуха в производственных помещениях (СКВ) необходимы для обеспечения необходимых параметров воздуха в производственных помещениях. Кондиционирование воздуха в помещениях осуществляется вместе с вентиляцией, а иногда и с отоплением. Однако самые совершенные системы могут справиться со всеми тремя функциями.

Согласно данным строительных компаний, около 15% средств, потраченных на возведение дата-центров и предприятий со сложными технологическими процессами идет на организацию кондиционирования воздуха в помещениях. Современное кондиционирование производственных помещений – дорогостоящая задача на которую уходит до 60% средств, используемых на поддержание здания.

Расчетная методика и формулы

Со стороны скрупулезного пользователя вполне логично не доверять цифрам, полученным на онлайн-калькуляторе. Чтобы проверить результат расчета мощности агрегата, воспользуйтесь упрощенной методикой, предлагаемой изготовителями холодильного оборудования.

Итак, требуемая производительность бытового кондиционера по холоду рассчитывается по формуле:

Расшифровка обозначений:

• Qтп – тепловой поток, проникающий в комнату с улицы через строительные конструкции (стены, полы и потолки), кВт;
• Qл – тепловыделения от жильцов квартиры, кВт;
• Qбп – теплопоступления от бытовой техники, кВт.

Теплоотдачу домашних электроприборов выяснить просто – загляните в паспорт изделия и отыщите характеристику потребляемой электрической мощности. Практически вся израсходованная энергия преобразуется в тепло.

Важный момент. Исключение из правила – холодильные установки и агрегаты, работающие в режиме старт / стоп. В течение 1 часа компрессор холодильника выделит в помещение количество тепла, равное 1/3 максимального потребления, указанного в инструкции по эксплуатации.

• 100 Вт/ч от человека, находящегося в состоянии покоя;
• 130 Вт/ч — в процессе ходьбы либо выполнения легкой работы;
• 200 Вт/ч — при тяжелых физических нагрузках.

Для вычислений принимается первая величина – 0.1 кВт. Остается определить количество теплоты, проникающей снаружи через стены по формуле:

• S – квадратура охлаждаемой комнаты, м?;
• h – высота перекрытия, м;
• q – удельная тепловая характеристика, отнесенная к объему помещения, Вт/м?.

Формула позволяет выполнить укрупненный расчет теплопритоков через наружные ограждения частного дома либо квартиры с использованием удельной характеристики q. Ее значения принимаются следующим образом:

1. Комната расположена с теневой стороны здания, площадь окон не превышает 2 м?, q = 30 Вт/м?.
2. При средней освещенности и площади остекления берется удельная характеристика 35 Вт/м?.
3. Помещение находится на солнечной стороне либо имеет множество светопрозрачных конструкций, q = 40 Вт/м?.

Определив теплопоступления от всех источников, сложите полученные цифры, используя первую формулу. Сравните результаты ручного вычисления с показателями онлайн-калькулятора.

Когда необходимо учесть поступление тепла от вентиляционного воздуха, холодопроизводительность агрегата увеличивается на 15—30% в зависимости от кратности обмена. При обновлении воздушной среды 1 раз в течение часа умножьте результат вычисления на коэффициент 1.16—1.2.

Системная плата как источник тепловыделения.

Для большинства не секрет, что системная плата обеспечивая работу узлов на ней установленных сама потребляет электроэнергию и выделяет тепло. Тепло выделяют северный и южный мосты чипсета, источники питания узлов компьютера, да и просто расположенные на ней компоненты электронных схем. Причем это тепловыделение тем больше чем производительнее Ваш компьютер. И даже в процессе работы тепловыделение меняется в зависимости от загруженности его узлов.

Чипсет.

Наибольшее тепловыделение имеет чип северного моста, который обеспечивает работу процессора с шинами. И часто и работу с модулями память (в некоторых моделях современных процессоров эту функцию выполняют они сами). Поэтому их мощность тепловыделения может доходить от 20 до 30 Вт. Производитель обычно не указывает их тепловыделение, как вообще суммарное тепловыделение системной платы.

Косвенным признаком высокого тепловыделения является наличие инвертора для его питания в непосредственной близости от него и усиленной системы охлаждения (вентилятор, тепловые трубки). Не забывайте, питание и охлаждение должны обеспечивать нормальную работу чипсета при максимальной производительности.

Сейчас на одну фазу такого источника питания приходится до 35 Вт выходной мощности. Фаза источника питания имеет в своем составе пару транзисторов MOSFET, дроссель и один или несколько оксидных конденсаторов.

Память.

Современные модули быстродействующей памяти тоже имеют достаточно большое тепловыделение. Косвенным признаком этого является наличие отдельного источника питания и наличие дополнительного теплоотвода (металлических пластин) установленного на чипы памяти. Мощность тепловыделения модулей память зависит от его емкости и рабочей частоты. Она может достигать 10 — 15 Вт на модуль (или 1,5 — 2,5 Ватт на чип память находящийся на модуле в зависимости от производительности). Источник питания памяти рассеивает мощность 2 — 3 Вт на модуль памяти.

Процессор.

Современные процессоры имеют потребляемую мощность до 125 и даже 150 Вт (потребляемый ток доходит до 100 А), поэтому они питаются от отдельного источника питания содержащего до 24 фаз (ветвей) работающих на одну нагрузку. Мощность рассеиваемая источником питания процессора для таких процессоров доходит до 25 — 30 Вт. В документации на процессор часто указывается параметр TDP (thermal design power) характеризующий тепловыделение процессора

Видеокарта.

На современных системных платах нет дополнительных источников питания для видеокарт. Они располагаются на самих видеокартах поскольку их мощность существенно зависит от режима работы и применяемых графических процессоров. Видеокарты имеющие дополнительные источники питания (инверторы), питаются через дополнительный отвод БП напряжением +12 В.

Элементная база системной платы, как источник тепла.

В связи с ростом количества внешних устройств, растет и количество внешних портов, которые могут использоваться для подключения внешних устройств не имеющих собственных источников питания (например внешние HDD на USB портах). На один USB порт до 0,5 А, а таких портов может быть до 12. Поэтому на системной плате сейчас часто устанавливаются дополнительные источники питания для их обслуживания.

Нельзя забывать что тепло выделяет, в той или иной мере, все радиоэлементы установленные на системной плате. Это специализированные чипы, резисторы, диоды и даже конденсаторы. Почему даже? Потому что считается что на конденсаторах работающих на постоянном токе мощность не выделяется (если не считать незначительной мощности вызванной токами утечки). Но в реальной системной плате нет чистого постоянного тока — источники питания импульсные, нагрузки динамические и всегда присутствуют переменные токи в их цепях. И тогда начинает выделяться тепло мощность которого зависит от качества конденсаторов (величины ESR) и величины и частоты этих токов (их гармоник). А число фаз инверторного источника питания процессора достигло 24 и нет предпосылок к их снижению на качественных системных платах.

Суммарная мощность тепловыделения системной платы (только ее одной!) может достигать в пике — 100Вт.

Тепловыделение встроенных на системной плате источников питания .

Дело в том что сейчас, с ростом мощности потребляемой узлами компьютера (видео карта, процессор, модули памяти, чип сеты северного и южного моста) их питание осуществляется от специальных источников питания расположенных на материнской плате. Эти источники представляют сбой многофазные (от 1 до 12 фаз) инверторы работающие от источника 5 — 12В и питающие заданным током (10 — 100 А) потребители при выходном напряжении 1 — 3В. Все эти источники имеют КПД порядка 72 — 89 % в зависимости от применяемой в них элементной базы. У разных производителей применяются разные методы отвода выделяющегося тепла. От простого отвода тепла на материнскую плату с помощью пайки транзисторов ключей MOSFET на печатный проводник на плате, до специальных охладителей на тепловых трубках с использованием специальных вентиляторов.

Встроенный источник питания представляет собой обычный инвертор, при многофазном включении это несколько (количество соответствует числу фаз) синхронизированных и сфазированных, работающих на одну нагрузку инверторов.

Пример оценки тепловыделения в цепочке «процессор — многофазный инвертор — блок питания».

Расчет мощности тепловыделения в цепочке «процессор — многофазный инвертор — блок питания»выполняют исходя из мощности конечного потребителя в цепочке «процессора».

Дело в том что сейчас, с ростом мощности потребляемой узлами компьютера (видео карта, процессор, модули памяти, чип сеты северного и южного моста) их питание осуществляется от специальных источников питания расположенных на материнской плате. Эти источники представляют сбой многофазные (от 1 до 12 фаз) инверторы работающие от источника 5 — 12В и питающие заданным током (10 — 100 А) потребители при выходном напряжении 1 — 3В. Все эти источники имеют КПД порядка 72 — 89 % в зависимости от применяемой в них элементной базы. Встроенный источник питания представляет собой обычный инвертор, при многофазном включении это несколько (количество соответствует числу фаз) синхронизированных и сфазированных, работающих на одну нагрузку инверторов. У разных производителей применяются разные методы отвода выделяющегося тепла. От простого отвода тепла на материнскую плату с помощью пайки транзисторов ключей MOSFET на печатный проводник на плате, до специальных охладителей на тепловых трубках с использованием специальных вентиляторов. Примерный расчет тепловыделения по цепочке питания.

Рассмотрим эту цепочку.

Результатом рассмотрения будет ответ на вопрос: «Какая мощность выделяется на источнике питания устройства расположенного на системной плате?»

Возьмем для примера процессора AMD Phenom™ II X4 3200, который имеет потребляемую мощность в пике (TDP) – 125 Вт. Это, как уже писалось выше, с достаточно высокой точностью его тепловыделение.

Многофазный инвертор от которого питается указанный выше процессор, практически не зависимо от количества фаз, при КПД = 78% (обычно), выделяет тепла 27,5 Вт в пике.

Итого общее тепловыделение в цепи питания процессора AMD Phenom™ II X4 3200 и источника его питания (инвертор) в пике достигает 152,5 Вт.

Доля тепловыделения в БП приходящаяся на этот процессор составит (с учетом КПД БП) более 180 Вт в пике нагрузки процессора.

Для расчета доли мощности (тока) питания приходящегося на данную цепь для БП используется суммарная мощность — 152,5 Вт. Чтобы переводить данную мощность надо знать от каких напряжений питается данная цепь. А это зависит не столько от процессора и блока питания (БП), сколько от конструкции материнской платы. В случае если питание осуществляется от напряжения 12В рассчитывают по суммарной мощности потребляемой в данной цепи, переведя эту мощность в ток и получим, при напряжении цепи 12В, суммарный ток потребляемой от БП для цепи питания процессора равен — 12,7А.

Пример для комнаты 20 кв. м

Покажем расчет мощности для кондиционирования небольшой квартиры – студии площадью 20 м? с высотой потолков 2.7 м. Остальные исходные данные:

• освещенность – средняя;
• число жильцов – 2;
• плазменная ТВ-панель – 1 шт.;
• компьютер – 1 шт.;
• потребление электроэнергии холодильником – 200 Вт;
• кратность воздухообмена без учета периодически работающей кухонной вытяжки – 1.

Тепловыделения от жильцов составляют 2 х 0.1 = 0.2 кВт, от бытовой техники с учетом одновременности – 0.3 + 0.2 = 0.5 кВт, со стороны холодильника – 200 х 30% = 60 Вт = 0.06 кВт. Комната средней освещенности, удельная характеристика q = 35 Вт/м?. Считаем приток теплоты от стен:

Qтп = 20 х 2.7 х 35 / 1000 = 1.89 кВт.

Окончательный расчет мощности кондиционера выглядит так:

Q = 1.89 + 0.2 + 0.56 = 2.65 кВт, плюс расход холода на вентиляцию 2.65 х 1.16 = 3.08 кВт.

Важно! Не путайте общеобменную вентиляцию с проветриванием жилища. Воздушный поток, поступающий через открытые окна, слишком велик и меняется от порывов ветра. Охладитель не должен и не может нормально кондиционировать комнату, куда свободно проходит неконтролируемый объем уличного воздуха.

Выбор кондиционера по мощности

Сплит-системы и охлаждающие агрегаты других типов выпускаются в виде модельных рядов с изделиями стандартной производительности – 2.1, 2.6, 3.5 кВт и так далее. Часть производителей обозначает мощность моделей в тысячах Британских Тепловых Единиц (kBTU) – 07, 09, 12, 18 и т. д. Соответствие климатических установок, выраженных в киловаттах и BTU, показано в таблице.

Справка. От обозначений в kBTU пошли народные названия охлаждающих блоков различной холодо, «девятка» и прочие.

Зная требуемую производительность в киловаттах и британских единицах, подбирайте сплит-систему в соответствии с рекомендациями:

1. Оптимальная мощность бытового кондиционера лежит в диапазоне —5…+15% от расчетной величины.
2. Лучше дать небольшой запас и округлить полученный результат в сторону увеличения – до ближайшего в модельном ряду изделия.
3. Если определенная расчетом холодопроизводительность превышает мощность охладителя из стандартного ряда на сотую долю киловатта, округлять в большую сторону не следует.

Пример. Результат вычислений – 2.13 кВт, первая модель в ряду развивает холодильную мощность 2.1 кВт, вторая – 2.6 кВт. Выбираем вариант №1 – кондиционер на 2.1 кВт, что соответствует 7 kBTU.

Пример второй. В предыдущем разделе мы посчитали производительность агрегата для квартиры – студии – 3.08 кВт и попали между модификациями 2.6—3.5 кВт. Выбираем сплит-систему большей производительности (3.5 кВт или 12 kBTU), поскольку откат к меньшей не уложится в 5%.

Для справки. Заметьте, что потребление электроэнергии любым кондиционером втрое меньше его холодильной мощности. Агрегат на 3.5 кВт «потянет» из сети порядка 1200 Вт электричества в максимальном режиме. Причина кроется в принципе действия холодильной машины – «сплит» не вырабатывает холод, а переносит тепло на улицу.

Подавляющее большинство климатических систем способно работать в 2 режимах – охлаждение и нагрев в холодный период года. Причем производительность по теплу выше, поскольку двигатель компрессора, потребляющий электричество, дополнительно подогревает фреоновый контур. Разница мощности в режиме охлаждения и нагрева показана выше в таблице.

РАССМОТРИМ ПРИМЕР:

Необходимо установить тепловой баланс отдельно стоящего электрошкафа с размерами 2000x800x600мм, изготовленного из стали, имеющего степень защиты не ниже IP54. Потери тепловой энергии всех компонентов в шкафу составляют Pv = 550 Вт.

В разное время года температура внешней среды может значительно меняться, поэтому рассмотрим два случая.

Рассчитаем поддержание температуры внутри шкафа Ti = +35оС при внешней температуре

в зимний период: Ta = -30оС

в летний период: Ta = +40оС

1. Рассчитаем эффективную площадь электрошкафа.

Поскольку площадь измеряется в м2, то его размеры следует перевести в метры.

A = 1,8·H · (W + D) + 1,4 · W · D = 1,8 · 2000/1000 · (800 + 600)/1000 + 1,4 · 800/1000 · 600/1000 = 5,712 м2

2. Определим разницу температур для разных периодов:

в зимний период: ?T = Ti – Ta = 35 – (-30) = 65оK

в летний период: ?T = Ti – Ta = 35 – 40 = -5оK

3. Рассчитаем мощность:

в зимний период: Pk = Pv – k · A · ?T = 550 – 5.5 · 5.712 · 65 = -1492 Вт.

в летний период: Pk = Pv – k · A · ?T = 550 – 5.5 · 5.712 · (-5) = 707 Вт.

Для надежной работы устройств по поддержанию климата, их обычно «недогружают» по мощности около 10%, поэтому к расчетам добавляют порядка 10%.

Таким образом, для достижения теплового баланса в зимний период следует использовать нагреватель с мощностью 1600 — 1650 Вт (при условии постоянной работы оборудования внутри шкафа). В тёплый же период следует отводить тепло мощностью порядка 750-770 Вт.

Нагрев можно осуществлять, комбинируя несколько нагревателей, главное набрать в сумме нужную мощность нагрева. Предпочтительнее брать нагреватели с вентилятором, так как они обеспечивают лучшее распределения тепла внутри шкафа за счет принудительной конвекции. Для управления работой нагревателей применяются термостаты с нормально замкнутым контактом, настроенные на температуру срабатывания равную температуре поддержания внутри шкафа.

Для охлаждения применяются различные устройства: вентиляторы с фильтром, теплообменники воздух/воздух, кондиционеры, работающие по принципу теплового насоса, теплообменники воздух/вода, чиллеры. Конкретное применение того или иного устройства обусловлено различными факторами: разницей температур ?T, требуемой степенью защиты IP и т.д.

В нашем примере в тёплый период ?T = Ti – Ta = 35 – 40 = -5оK. Мы получили отрицательную разницу температур, а это значит, что применить вентиляторы с фильтром не представляется возможным. Для использования вентиляторов с фильтром и теплообменников воздух/воздух необходимо, чтобы ?T была больше или равна 5оK. То есть чтобы температура окружающей среды была ниже требуемой в шкафу не менее чем на 5оK (разница температур в Кельвинах равна разнице температур в Цельсиях).