Что такое пассивные кондиционеры, принцип работы

С наступлением жаркого лета неизбежно возникает проблема кондиционирования воздуха. Хоть и не во всех регионах, но все же в очень многих жаркий спертый воздух – вполне реальная проблема, которая может доставлять неприятности дома или в офисе. Чтобы решить ее, можно купить обычный кондиционер, который еще называют сплит-системой. Но они довольно дорого стоят сами по себе, и к тому же потребляют много электроэнергии, что сказывается на расходах. Не всегда использование обычных кондиционеров целесообразно и оправданно, иногда значительно более выгодно установить в доме кондиционер пассивного охлаждения. В данной статье мы раскроем, что собой представляют пассивные кондиционеры и каков принцип их работы.

1. Из чего состоит пассивный кондиционер
   • Геотермальный контур и скважина
   • Фанкойлы
   • Циркуляционный насос
2. Принцип работы пассивного кондиционера
3. Другие варианты пассивного охлаждения

Из чего состоит пассивный кондиционер

Кондиционирование воздуха может осуществляться различными способами. И мы привыкли, что кондиционер представляет собой такую продолговатую штуку, которую вешают под потолком. Из нее дует холодный воздух, а снаружи стены дома расположена коробка с вентилятором, из которой капает конденсат. Так вот пассивные кондиционеры устроены совсем по-другому.

Самый простой и относительно дешевый вариант обустройства пассивного кондиционера состоит из таких элементов:

• Геотермальный контур (скважина в земле).
• Фанкойл.
• Циркуляционный насос.
• Теплоноситель в контуре.

Такая система способна понижать температуру в помещении на 4 – 6 °С и обладает мощностью  от 1 до 2 кВт. Показатель в 2 и более кВт обычно заявляют производители систем, но на самом деле многое зависит от региона, структуры грунта и общей температуры в регионе, как воздуха, так и грунта. Но на 1 кВт мощности можно рассчитывать смело.

Если мощности такой системы недостаточно, в нее добавляется тепловой насос. Стоит такой агрегат дорого и окупается долго. Но если изначально создать систему отопления и кондиционирования на основе теплового насоса с геотермальным контуром, то получается вполне выгодно. Использовать же тепловой насос только для охлаждения воздуха летом не выгодно. Обратите внимание, что не выгодно не потому, что расходы на электроэнергию и другие расходы высокие, а потому что изначальная стоимость теплового насоса очень велика.

Итак, давайте рассмотрим элементы пассивного кондиционера подробнее.

Геотермальный контур и скважина

Геотермальный контур представляет собой вертикальную скважину в земле. Чем глубже скважина, тем больше тепловой энергии можно из нее извлечь. Например, скважина глубиной 40 м может дать 2 кВт энергии, практически как сплит-система.

Внутрь скважины опускается коллектор из U-образных пластиковых труб. Можно использовать и другие трубы, но пластиковые считаются самыми оптимальными. Стоят они дешево, а эксплуатационные качества достаточно хороши, чтобы коллектор прослужил 50 лет.

Труба заполнена жидкостью, которая циркулирует в системе. Ее еще называют хладагентом. В обычных тепловых насосах используется специальный незамерзающий хладагент, но в пассивном кондиционере можно использовать обычную воду. Так меньше затраты на эксплуатацию и восполнение случайных потерь.

Важно! Обратите внимание, что если будет использоваться тепловой насос, то в качестве теплоносителя должна циркулировать специальная жидкость – хладагент.

Обычно именно дороговизна бурильных работ останавливает владельцев загородного жилья перед установкой пассивного кондиционера. Но по причине того, что к скважине в грунте предъявляются требования, намного менее жесткие, чем к скважине на воду, например. Поэтому для бурения даже такой глубокой скважины на 40 м можно использовать малые буровые станки, как БУР-50. Особенно, если грунт 3 – 4 степени буримости, к которым относятся глина, песок и известняк.

Расходы на бурение скважины глубиной 40 м не превышают 500 у.е. Стоимость комплекта пластиковых труб и соединительных элементов – около 100 у.е.

Скважина в земле – не единственный вариант коллектора для пассивного кондиционера. Также можно опускать коллектор в воду, температура которой достаточна для того, чтобы циркулирующий хладагент остыл хотя бы на 3 – 5 °С. Например, можно опускать коллектор в скважину с холодной водой или в горную реку.

Фанкойлы

Следующим элементом системы, обеспечивающей пассивное охлаждение, являются фанкойлы. Данные агрегаты еще называют «полукондиционеры».
Фанкойл состоит из теплообменника, вентилятора, фильтра и блока управления.

Внутри теплообменника циркулирует хладагент/теплоноситель. Вентилятор нагнетает воздух к теплообменнику, где он охлаждается, и выдувает холодный воздух обратно. Фильтр очищает воздух. А блок управления нужен для того, чтобы регулировать температуру воздуха в помещении.

Если вдаться немного в подробности, то вентилятор распределяет воздух равномерно по всей площади теплообменника, чтобы он равномерно охладился или нагрелся (если фанкойл используется для отопления).

Двигатель вентилятора бывает двух типов:

• тангенциальный – используется для фанкойлов малой мощности в малых помещениях;
• центробежный – используется в фанкойлах средней и высокой мощности. Обычно такие устанавливаются на предприятиях или в других больших помещениях.

Итак, вентилятор нагнетает воздух и подает его через теплообменник. Сам теплообменник и трубы, подходящие к нему, чаще всего медные. По трубам внутрь теплообменника поступает хладагент или теплоноситель. Это может быть вода, холодная или горячая, или раствор этиленгликоля.

Фанкойлы могут контролировать температуру воздуха в помещении двумя способами: либо регулируя объем подаваемого воздуха, либо объем воды в теплообменнике. Расход воды можно регулировать с помощью специального клапана, который изменяет диаметр поперечного сечения трубы. Таким образом, изменяется поток воды, поступающей в теплообменник.

Важно! Возможность регулировать объем поступающей воды – принципиальное отличие водяных систем от фреоновых.

Расход воздуха можно контролировать с помощью изменения оборотов вентилятора. Так он будет прокачивать воздух в меньшем или большем объеме.

Фанкойлы устанавливаются во всех помещениях, где требуется кондиционирование воздуха: в холлах, спальнях, коридорах, кухне и других помещениях. Стоимость фанкойлов начинается с 200 у.е. Выглядят они внешне так же, как обычные кондиционеры мощностью 2 кВт, с пультом дистанционного управления и регулировкой скорости охлаждения.

Циркуляционный насос

Циркуляционный насос нужен в системе для того, чтобы заставлять циркулировать жидкость по контуру системы. Вода проходит по геотермальному контуру, охлаждается там и поступает напрямик в теплообменник фанкойла.

Потребление электроэнергии циркуляционным насосом совсем невелико, а стоимость самого насоса около 100 у.е. Работы по монтажу всей системы пассивного охлаждения обойдутся примерно в 100 у.е. Итого пассивный кондиционер будет стоить 600 у.е., примерно столько же, сколько обычная сплит-система.

Помимо представленных элементов пассивного кондиционера в систему может быть включен тепловой насос. Если мощности базовых элементов недостаточно, хладагент дополнительно охлаждается в компрессоре и только затем поступает в теплообменник фанкойла.

Принцип работы пассивного кондиционера

Давайте подробнее рассмотрим принцип работы пассивного кондиционера и как происходит работа вентиляции и кондиционирование воздуха в помещениях.

Итак, предположим, что в системе циркулирует обычная вода.

Проходя сквозь грунтовый теплообменник, который чуть выше мы назвали геотермальным контуром, вода остывает до определенной температуры, которая заведомо ниже температуры окружающей среды на поверхности земли. Например, за окном +30 °С. Вода проходит через контур и подходит к теплообменнику в фанкойле с температурой +19,5 °С.

Охлаждая воздух, проходящий сквозь теплообменник фанкойла, вода нагревается и выходит из теплообменника с температурой +21,2 °С. Казалось бы, разница совсем невелика. Но давайте копнем глубже.

Охлаждение в час будет 715 Вт. А затраты электроэнергии намного меньше: фанкойл потребляет всего 70 Вт, а циркуляционный насос 120 Вт. Кстати, насосов может быть несколько, тогда их потребление необходимо просуммировать.

После того, как вода отдала свой холод воздуху, она возвращается в грунтовый коллектор, где снова охлаждается, и так цикл повторяется.

Важно! Чем выше температура за бортом, тем выше эффективность пассивного кондиционера. Когда температура низкая, например, +20 °С, эффективность пассивного охлаждения практически нулевая, так как маленькая разница температур между водой и воздухом.

Если же в системе будет циркулировать не вода, а раствор этиленгликоля, а в работу системы будет добавлен тепловой насос с компрессором, эффективность кондиционера будет намного выше, но и расходы тоже.

Основной проблемой пассивных кондиционеров с грунтовым коллектором является гидравлическое сопротивление, из-за которого приходится увеличивать мощность циркуляционных насосов.

Самое простое решение данной проблемы – использование как можно менее вязкого теплоносителя. Если это вода, то дистиллированная, разбавленная смягчителями, уменьшающими вязкость.

Помимо этого можно предпринять ряд других мер:

• Уменьшить крутизну поворотов труб в системе. Для этого поворотные элементы необходимо заменить на косые с тупым углом.
• Также следует сократить число муфт, которые уменьшают диаметр сечения трубопровода. Лучше использовать муфты без изменения диаметра.
• Минимизировать количество запорной арматуры – вентилей.
• Можно использовать фанкойлы, в которых трубы теплообменника большего диаметра.

В таблице ниже можно посмотреть самые проблемные участки трубопровода. Обратите внимание, чем меньше коэффициент, указанный в последнем столбце, тем меньше гидравлическое сопротивление в системе.

Таблица 1. Коэффициент сопротивления элементов трубопровода.

Исключив из системы элементы с наибольшим сопротивлением, можно значительно увеличить эффективность пассивного кондиционера с грунтовым коллектором.

Следующий важный момент в работе пассивного кондиционера – вентиляция. Для нормальной работы фанкойлов должен быть приток свежего воздуха. И здесь необходимо отметить, что фанкойлы можно использовать при открытом окне в отличие от кондиционеров по типу сплит-системы.

Кроме притока воздуха через окно, можно реализовать подачу воздуха с помощью центрального кондиционера, который устанавливается на крыше или чердаке здания.

Другие варианты пассивного охлаждения

Пассивное охлаждение не всегда реализуется с помощью фанкойлов. Например, в помещениях, где нежелательно лишнее движение воздушных масс или шум от вентиляторов фанкойла, можно использовать так называемые холодные стены, потолки или холодные полы.

Система холодных полов практически такая же, как и система «теплый пол». Под напольным покрытием проходят трубы, по которым циркулирует охлажденная жидкость. Таким образом, жидкость охлаждает поверхность пола.

Не меньшей эффективностью обладают холодные стены и потолки. От охлажденного потолка воздух опускается вниз по законам физики, создавая оптимальную температуру в помещении.

Назвать пол, потолок и стены холодными можно лишь условно. Обычно температура этих поверхностей не бывает ниже +15 - +16 °С, чтобы не образовывался конденсат.

В заключение хотелось бы еще раз напомнить о выгоде использования пассивного кондиционера. Энергопотребление 2 кВт установки охлаждения не превышает 80 – 100 Вт. А обычный кондиционер мощностью 2 кВт потребляет не менее 800 Вт. Выгода очевидна, пассивный кондиционер потребляет в 10 раз меньше, соответственно окупается за несколько сезонов.