Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха ( HVAC ) — это использование различных технологий для контроля температуры , влажности и чистоты воздуха в замкнутом пространстве. Его цель — обеспечить тепловой комфорт и приемлемое качество воздуха в помещении . Проектирование систем HVAC — это подраздел машиностроения , основанный на принципах термодинамики , механики жидкостей и теплопередачи . Иногда к аббревиатуре области как HVAC&R или HVACR добавляется « Охлаждение » , или «вентиляция» опускается, как в HACR (как в обозначении автоматических выключателей с рейтингом HACR ).
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) играют важную роль в жилых зданиях, таких как односемейные дома, многоквартирные дома, гостиницы и дома престарелых; в средних и крупных промышленных и офисных зданиях, таких как небоскребы и больницы; в транспортных средствах, таких как автомобили, поезда, самолеты, корабли и подводные лодки; а также в морской среде, где безопасные и здоровые условия в зданиях регулируются с учетом температуры и влажности, используя свежий воздух с улицы.
Вентиляция (буква «V » в аббревиатуре HVAC) — это процесс обмена или замены воздуха в любом помещении для обеспечения высокого качества воздуха в помещении, который включает в себя контроль температуры, пополнение кислорода и удаление влаги, запахов, дыма, тепла, пыли, бактерий, находящихся в воздухе, углекислого газа и других газов. Вентиляция удаляет неприятные запахи и избыточную влажность, подает наружный воздух, поддерживает циркуляцию воздуха внутри здания и предотвращает застой внутреннего воздуха. Методы вентиляции здания делятся на механические/принудительные и естественные . [1]
Три основные функции отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха взаимосвязаны, особенно с необходимостью обеспечения теплового комфорта и приемлемого качества воздуха в помещении в рамках разумных затрат на установку, эксплуатацию и обслуживание. Системы HVAC могут использоваться как в жилых, так и в коммерческих помещениях. Системы HVAC могут обеспечивать вентиляцию и поддерживать соотношение давления между помещениями. Способ подачи и удаления воздуха из помещений известен как распределение воздуха в помещении . [2]
В современных зданиях проектирование, монтаж и системы управления этими функциями интегрированы в одну или несколько систем HVAC. Для очень маленьких зданий подрядчики обычно оценивают мощность и тип необходимой системы, а затем проектируют систему, выбирая соответствующий хладагент и различные необходимые компоненты. Для более крупных зданий проектировщики зданий, инженеры-механики или инженеры по обслуживанию зданий анализируют, проектируют и определяют системы HVAC. Затем специализированные подрядчики и поставщики по механике изготавливают, устанавливают и вводят системы в эксплуатацию. Разрешения на строительство и проверки соответствия установок нормам обычно требуются для всех размеров зданий.
Хотя HVAC выполняется в отдельных зданиях или других закрытых помещениях (например, подземная штаб-квартира NORAD ), задействованное оборудование в некоторых случаях является расширением более крупной сети централизованного теплоснабжения (ЦТ) или централизованного охлаждения (ЦХ) или комбинированной сети ЦХО. В таких случаях аспекты эксплуатации и обслуживания упрощаются, и становится необходимым измерение для выставления счетов за потребляемую энергию, а в некоторых случаях и за энергию, которая возвращается в более крупную систему. Например, в определенное время одно здание может использовать охлажденную воду для кондиционирования воздуха, а возвращаемая ею теплая вода может использоваться в другом здании для отопления или для общей части отопления сети ЦХО (вероятно, с добавлением энергии для повышения температуры). [3] [4] [5]
Базирование HVAC на более крупной сети помогает обеспечить экономию масштаба, которая часто невозможна для отдельных зданий, для использования возобновляемых источников энергии, таких как солнечное тепло, [6] [7] [8] зимний холод, [9] [10] охлаждающий потенциал в некоторых местах озер или морской воды для свободного охлаждения , а также функцию сезонного хранения тепловой энергии . Использование природных источников, которые могут быть использованы для систем HVAC, может иметь огромное значение для окружающей среды и помочь расширить знания об использовании различных методов.
Система HVAC основана на изобретениях и открытиях Николая Львова , Майкла Фарадея , Роллы С. Карпентера , Уиллиса Кэрриера , Эдвина Рууда , Рубена Трейна , Джеймса Джоуля , Уильяма Рэнкина , Сади Карно , Элис Паркер и многих других. [11]
Множество изобретений в этот период времени предшествовали появлению первой комфортной системы кондиционирования воздуха, которая была разработана в 1902 году Альфредом Вольфом (Купер, 2003) для Нью-Йоркской фондовой биржи, в то время как Уиллис Кэрриер оснастил печатную компанию Sacketts-Wilhems технологическим кондиционером в том же году. Колледж Койн был первой школой, которая предложила обучение по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в 1899 году. [12] Первый бытовой кондиционер был установлен к 1914 году, а к 1950-м годам произошло «широко распространенное внедрение бытовых кондиционеров». [13]
Изобретение компонентов систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха шло рука об руку с промышленной революцией , и компании и изобретатели по всему миру постоянно внедряют новые методы модернизации, повышения эффективности и управления системами.
Нагреватели — это приборы, целью которых является выработка тепла (т. е. тепла) для здания. Это может быть сделано с помощью центрального отопления . Такая система содержит котел , печь или тепловой насос для нагрева воды, пара или воздуха в центральном месте, например, в котельной в доме или техническом помещении в большом здании. Тепло может передаваться путем конвекции , теплопроводности или излучения . Нагреватели используются для обогрева отдельных помещений и состоят только из одного блока.
Существуют нагреватели для различных видов топлива, включая твердое топливо , жидкости и газы . Другим типом источника тепла является электричество , обычно нагревательные ленты, состоящие из проволоки с высоким сопротивлением (см. Нихром ). Этот принцип также используется для плинтусных нагревателей и переносных нагревателей . Электрические нагреватели часто используются в качестве резервного или дополнительного тепла для систем тепловых насосов.
Тепловой насос приобрел популярность в 1950-х годах в Японии и Соединенных Штатах. [14] Тепловые насосы могут извлекать тепло из различных источников , таких как окружающий воздух, отработанный воздух из здания или из земли. Тепловые насосы переносят тепло извне конструкции в воздух внутри. Первоначально системы HVAC с тепловыми насосами использовались только в умеренном климате, но с улучшениями в работе при низких температурах и снижением нагрузок из-за более эффективных домов они становятся все более популярными в более холодном климате. Они также могут работать в обратном направлении для охлаждения интерьера.
В случае с нагретой водой или паром для транспортировки тепла в помещения используется трубопровод. Большинство современных систем водогрейного котла имеют циркуляционный насос, который перемещает горячую воду через распределительную систему (в отличие от старых систем с гравитационной подачей ). Тепло может передаваться в окружающий воздух с помощью радиаторов , змеевиков горячей воды (гидровоздушных) или других теплообменников. Радиаторы могут быть установлены на стенах или в полу для производства напольного тепла.
Использование воды в качестве теплоносителя известно как гидроника . Нагретая вода может также питать вспомогательный теплообменник для подачи горячей воды для купания и стирки.
Системы теплого воздуха распределяют нагретый воздух через воздуховодные системы подачи и возврата воздуха через металлические или стекловолоконные воздуховоды. Многие системы используют те же воздуховоды для распределения воздуха, охлажденного испарительным змеевиком для кондиционирования воздуха. Подаваемый воздух обычно фильтруется через воздушные фильтры [ сомнительно – обсудите ] для удаления пыли и частиц пыльцы. [15]
Использование печей, обогревателей и котлов в качестве метода отопления помещений может привести к неполному сгоранию и выбросам оксида углерода , оксидов азота , формальдегида , летучих органических соединений и других побочных продуктов сгорания. Неполное сгорание происходит при недостатке кислорода; на входе топливо, содержащее различные загрязняющие вещества, а на выходе — вредные побочные продукты, наиболее опасный оксид углерода, который представляет собой газ без вкуса и запаха, оказывающий серьезное неблагоприятное воздействие на здоровье. [16]
Без надлежащей вентиляции окись углерода может быть смертельно опасной при концентрации 1000 ppm (0,1%). Однако при концентрации в несколько сотен ppm воздействие окиси углерода вызывает головные боли, усталость, тошноту и рвоту. Окись углерода связывается с гемоглобином в крови, образуя карбоксигемоглобин, снижая способность крови переносить кислород. Основные проблемы со здоровьем, связанные с воздействием окиси углерода, — это ее сердечно-сосудистые и нейроповеденческие эффекты. Окись углерода может вызывать атеросклероз (затвердение артерий), а также может вызывать сердечные приступы. С неврологической точки зрения воздействие окиси углерода снижает координацию рук и глаз, бдительность и непрерывную работоспособность. Оно также может влиять на различение времени. [17]
Вентиляция — это процесс изменения или замены воздуха в любом помещении для контроля температуры или удаления любой комбинации влаги, запахов, дыма, тепла, пыли, бактерий, находящихся в воздухе, или углекислого газа, а также для пополнения кислорода. Она играет важную роль в поддержании здоровой среды в помещении, предотвращая накопление вредных загрязняющих веществ и обеспечивая циркуляцию свежего воздуха. Различные методы, такие как естественная вентиляция через окна и механические системы вентиляции , могут использоваться в зависимости от конструкции здания и потребностей в качестве воздуха. Вентиляция часто относится к преднамеренной доставке наружного воздуха во внутреннее пространство здания. Это один из важнейших факторов поддержания приемлемого качества воздуха в помещениях зданий.
Хотя вентиляция является неотъемлемым компонентом поддержания хорошего качества воздуха в помещении, она сама по себе может быть недостаточной. [18] Для улучшения работы вентиляции с точки зрения ... [19] В сценариях, когда загрязнение внешней среды ухудшает качество воздуха в помещении, могут также потребоваться другие устройства для обработки, такие как фильтрация . [20]
Методы вентиляции здания можно разделить на механические/принудительные и естественные . [21]
Механическая или принудительная вентиляция обеспечивается воздухообрабатывающим агрегатом (AHU) и используется для контроля качества воздуха в помещении. Избыточная влажность , запахи и загрязняющие вещества часто можно контролировать путем разбавления или замены наружным воздухом. Однако во влажном климате требуется больше энергии для удаления избыточной влаги из вентиляционного воздуха.
Кухни и ванные комнаты обычно имеют механические вытяжки для контроля запахов и иногда влажности. Факторы, влияющие на конструкцию таких систем, включают скорость потока (которая является функцией скорости вентилятора и размера вытяжного отверстия) и уровень шума. Вентиляторы с прямым приводом доступны для многих применений и могут снизить потребность в обслуживании.
Летом потолочные вентиляторы и настольные/напольные вентиляторы обеспечивают циркуляцию воздуха в помещении с целью снижения воспринимаемой температуры за счет увеличения испарения пота на коже находящихся в помещении людей. Поскольку горячий воздух поднимается, потолочные вентиляторы могут использоваться для поддержания тепла в помещении зимой за счет циркуляции теплого стратифицированного воздуха от потолка к полу.
Естественная вентиляция — это вентиляция здания наружным воздухом без использования вентиляторов или других механических систем. Она может осуществляться через управляемые окна, жалюзи или вентиляционные отверстия , когда пространство небольшое и архитектура это позволяет. ASHRAE определяет естественную вентиляцию как поток воздуха через открытые окна, двери, решетки и другие запланированные проходы в ограждающих конструкциях здания , и как приводимый в действие естественными и/или искусственно созданными перепадами давления. [1]
В более сложных схемах теплый воздух может подниматься и выходить из высоких проемов здания наружу ( эффект дымовой трубы ), в результате чего холодный наружный воздух втягивается в низкие проемы здания. Схемы естественной вентиляции могут потреблять очень мало энергии, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить комфорт. В теплом или влажном климате поддержание теплового комфорта исключительно за счет естественной вентиляции может быть невозможным. Системы кондиционирования воздуха используются либо в качестве резервных, либо дополнительных. Экономайзеры на стороне воздуха также используют наружный воздух для кондиционирования помещений, но делают это с помощью вентиляторов, воздуховодов, заслонок и систем управления для подачи и распределения прохладного наружного воздуха при необходимости.
Важным компонентом естественной вентиляции является скорость воздухообмена или воздухообмен в час : часовая скорость вентиляции, деленная на объем пространства. Например, шесть воздухообменов в час означают, что количество нового воздуха, равное объему пространства, добавляется каждые десять минут. Для комфорта человека типично минимум четыре воздухообмена в час, хотя на складах может быть только два. Слишком высокая скорость воздухообмена может быть некомфортной, сродни аэродинамической трубе , которая имеет тысячи воздухообменов в час. Самая высокая скорость воздухообмена наблюдается в многолюдных помещениях, барах, ночных клубах, коммерческих кухнях и составляет около 30-50 воздухообменов в час. [22]
Давление в помещении может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к наружному давлению в помещении. Положительное давление возникает, когда поступает больше воздуха, чем выбрасывается, и обычно используется для уменьшения проникновения внешних загрязняющих веществ. [23]
Естественная вентиляция [24] является ключевым фактором в снижении распространения заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем, таких как туберкулез, простуда, грипп, менингит или COVID-19. Открытие дверей и окон является хорошим способом максимизировать естественную вентиляцию, что значительно снижает риск заражения воздушно-капельным путем, чем при использовании дорогостоящих и требующих обслуживания механических систем. Старомодные клинические помещения с высокими потолками и большими окнами обеспечивают наибольшую защиту. Естественная вентиляция стоит недорого и не требует обслуживания, и особенно подходит для условий с ограниченными ресурсами и тропического климата, где бремя туберкулеза и институциональной передачи туберкулеза является самым высоким. В условиях, где респираторная изоляция затруднена, а климат позволяет, окна и двери следует открывать, чтобы снизить риск заражения воздушно-капельным путем. Естественная вентиляция требует небольшого обслуживания и стоит недорого. [25]
Естественная вентиляция непрактична в большинстве объектов инфраструктуры из-за климата. Это означает, что на объектах должны быть эффективные системы механической вентиляции и/или системы вентиляции Ceiling Level UV или FAR UV.
.png/1280px-Alpha_Black_Edition_-_Sirair_Airconditioner_with_UVC_(Ultraviolet_Germicidal_Irradiation).png)
Вентиляция измеряется в показателях воздухообмена в час (ACH). С 2023 года CDC рекомендует, чтобы во всех помещениях было не менее 5 ACH. [26] Для больничных палат с воздушно-капельными инфекциями CDC рекомендует не менее 12 ACH. [27] Проблемы вентиляции в учреждениях — это неосведомленность общественности, [28] [29] неэффективный государственный надзор, плохие строительные нормы, основанные на уровнях комфорта, плохая эксплуатация систем, плохое техническое обслуживание и отсутствие прозрачности. [30]
UVC или ультрафиолетовое бактерицидное облучение — это функция, используемая в современных кондиционерах, которая уменьшает количество вирусов , бактерий и грибков в воздухе с помощью встроенного светодиодного УФ-светильника. Как бдительный страж, он излучает мягкий свет через испаритель, обеспечивая полное покрытие. Поскольку вентилятор с поперечным потоком циркулирует в помещении, любые нежелательные вирусы направляются через диапазон облучения модуля стерилизации, что делает их мгновенно неактивными. [31]
Система кондиционирования воздуха или автономный кондиционер обеспечивает охлаждение и/или контроль влажности для всего здания или его части. Здания с кондиционированием воздуха часто имеют герметичные окна, поскольку открытые окна будут работать против системы, предназначенной для поддержания постоянных условий внутреннего воздуха. Снаружи свежий воздух обычно втягивается в систему через вентиляционное отверстие в камеру смешивания воздуха для смешивания с обратным воздухом помещения. Затем смешанный воздух поступает в секцию внутреннего или наружного теплообменника, где воздух должен охлаждаться, а затем направляться в помещение, создавая положительное давление воздуха. Процент обратного воздуха, состоящий из свежего воздуха, обычно можно регулировать, регулируя открытие этого вентиляционного отверстия. Типичный забор свежего воздуха составляет около 10% от общего объема подаваемого воздуха. [ необходима цитата ]
Кондиционирование воздуха и охлаждение обеспечиваются посредством отвода тепла. Тепло может отводиться посредством излучения , конвекции или проводимости . Теплопередающей средой является система охлаждения, например, вода, воздух, лед, а химические вещества называются хладагентами . Хладагент используется либо в системе теплового насоса, в которой компрессор используется для управления термодинамическим циклом охлаждения , либо в системе свободного охлаждения, которая использует насосы для циркуляции холодного хладагента (обычно это вода или смесь гликоля).
Крайне важно, чтобы мощность кондиционера была достаточной для охлаждаемой площади. Системы кондиционирования воздуха с недостаточной мощностью приведут к потере энергии и неэффективному использованию. Для любого установленного кондиционера требуется достаточная мощность.
В холодильном цикле для охлаждения используются четыре основных элемента: компрессор, конденсатор, дозирующее устройство и испаритель.
В переменном климате система может включать реверсивный клапан , который переключается с нагрева зимой на охлаждение летом. За счет реверсирования потока хладагента цикл охлаждения теплового насоса меняется с охлаждения на нагрев и наоборот. Это позволяет отапливать и охлаждать помещение одним оборудованием, теми же средствами и с тем же оборудованием.
Системы свободного охлаждения могут иметь очень высокую эффективность и иногда сочетаются с сезонным хранением тепловой энергии, так что холод зимы можно использовать для летнего кондиционирования воздуха. Обычными средами хранения являются глубокие водоносные горизонты или естественный подземный скальный массив, доступ к которым осуществляется через кластер скважин малого диаметра, оборудованных теплообменниками. Некоторые системы с небольшими хранилищами являются гибридными, использующими свободное охлаждение в начале сезона охлаждения, а затем использующими тепловой насос для охлаждения циркуляции, поступающей из хранилища. Тепловой насос добавляется, поскольку хранилище действует как радиатор, когда система находится в режиме охлаждения (в отличие от режима зарядки), заставляя температуру постепенно повышаться в течение сезона охлаждения.
Некоторые системы включают «режим экономайзера», который иногда называют «режимом свободного охлаждения». В режиме экономии система управления откроет (полностью или частично) заслонку наружного воздуха и закроет (полностью или частично) заслонку обратного воздуха. Это приведет к подаче в систему свежего наружного воздуха. Когда наружный воздух холоднее требуемого холодного воздуха, это позволит удовлетворить потребность без использования механической подачи охлаждения (обычно охлажденной воды или блока прямого расширения «DX»), тем самым экономя энергию. Система управления может сравнивать температуру наружного воздуха с температурой обратного воздуха или может сравнивать энтальпию воздуха , как это часто делается в климате, где влажность является более важной проблемой. В обоих случаях наружный воздух должен быть менее энергичным, чем возвратный воздух, чтобы система вошла в режим экономайзера.
Центральные, «полностью воздушные» системы кондиционирования воздуха (или пакетные системы) с комбинированным наружным конденсатором/испарителем часто устанавливаются в жилых домах, офисах и общественных зданиях Северной Америки, но их трудно модернизировать (устанавливать в здании, которое не было спроектировано для их установки) из-за требуемых громоздких воздуховодов. [32] (В таких ситуациях используются системы Minisplit без воздуховодов.) За пределами Северной Америки пакетные системы используются только в ограниченных случаях, связанных с большими внутренними пространствами, такими как стадионы, театры или выставочные залы.
Альтернативой пакетным системам является использование отдельных внутренних и наружных змеевиков в сплит-системах . Сплит-системы являются предпочтительными и широко используются во всем мире, за исключением Северной Америки. В Северной Америке сплит-системы чаще всего встречаются в жилых помещениях, но они набирают популярность в небольших коммерческих зданиях. Сплит-системы используются там, где воздуховоды нецелесообразны или где эффективность кондиционирования помещения имеет первостепенное значение. [33] Преимущества систем кондиционирования без воздуховодов включают в себя простоту установки, отсутствие воздуховодов, более высокий зональный контроль, гибкость управления и бесшумную работу. [34] При кондиционировании помещений потери в воздуховодах могут составлять 30% потребления энергии. [35] Использование мини-сплит-систем может привести к экономии энергии при кондиционировании помещений, поскольку нет потерь, связанных с воздуховодами.
В сплит-системе испарительный змеевик подключается к удаленному конденсаторному блоку с помощью трубопровода хладагента между внутренним и наружным блоками вместо подачи воздуха напрямую из наружного блока. Внутренние блоки с направленными вентиляционными отверстиями монтируются на стены, подвешиваются к потолку или встраиваются в потолок. Другие внутренние блоки монтируются внутри потолочной полости, так что короткие отрезки воздуховода направляют воздух из внутреннего блока в вентиляционные отверстия или диффузоры вокруг комнат.
Сплит-системы более эффективны и занимают меньше места, чем пакетные системы. С другой стороны, пакетные системы, как правило, имеют немного более низкий уровень шума в помещении по сравнению со сплит-системами, поскольку двигатель вентилятора расположен снаружи.
Осушение (осушение воздуха) в системе кондиционирования воздуха обеспечивается испарителем. Поскольку испаритель работает при температуре ниже точки росы , влага из воздуха конденсируется на трубках змеевика испарителя. Эта влага собирается в нижней части испарителя в поддоне и удаляется по трубопроводу в центральный слив или на землю снаружи.
Осушитель воздуха — это устройство, похожее на кондиционер, которое контролирует влажность в помещении или здании. Его часто используют в подвалах, где относительная влажность выше из-за более низкой температуры (и склонности к сырости пола и стен). В продовольственных розничных магазинах большие открытые холодильные шкафы очень эффективны для осушения внутреннего воздуха. Увлажнитель воздуха, наоборот, повышает влажность в здании.
Компоненты HVAC, которые осушают вентиляционный воздух, заслуживают пристального внимания, поскольку наружный воздух составляет большую часть годовой влажности почти для всех зданий. [36]
Все современные системы кондиционирования воздуха, даже небольшие оконные пакеты, оснащены внутренними воздушными фильтрами. [ требуется ссылка ] Они, как правило, изготавливаются из легкого материала, похожего на марлю, и должны заменяться или промываться по мере необходимости. Например, в здании с высокой запыленностью или в доме с пушистыми домашними животными фильтры необходимо менять чаще, чем в зданиях без этих загрязнений. Невыполнение замены этих фильтров по мере необходимости будет способствовать снижению скорости теплообмена, что приведет к потере энергии, сокращению срока службы оборудования и более высоким счетам за электроэнергию; слабый поток воздуха может привести к обледенению испарительных змеевиков, что может полностью остановить поток воздуха. Кроме того, очень грязные или засоренные фильтры могут вызвать перегрев во время цикла нагрева, что может привести к повреждению системы или даже пожару.
Поскольку кондиционер перемещает тепло между внутренним и наружным змеевиком, оба должны содержаться в чистоте. Это означает, что в дополнение к замене воздушного фильтра на испарительном змеевике необходимо также регулярно чистить конденсаторный змеевик. Несоблюдение чистоты конденсатора в конечном итоге приведет к повреждению компрессора, поскольку конденсаторный змеевик отвечает за отвод как внутреннего тепла (поглощенного испарителем), так и тепла, вырабатываемого электродвигателем, приводящим в действие компрессор.
HVAC в значительной степени отвечает за повышение энергоэффективности зданий, поскольку строительный сектор потребляет наибольший процент мировой энергии. [37] С 1980-х годов производители оборудования HVAC прилагают усилия, чтобы сделать производимые ими системы более эффективными. Первоначально это было обусловлено ростом цен на энергию, а в последнее время — возросшей осведомленностью об экологических проблемах. Кроме того, повышение эффективности систем HVAC также может помочь улучшить здоровье и производительность пользователей. [38] В США Агентство по охране окружающей среды на протяжении многих лет вводит более жесткие ограничения. Существует несколько методов повышения эффективности систем HVAC.
Раньше водяное отопление было более эффективным для отопления зданий и было стандартом в Соединенных Штатах. Сегодня системы принудительного кондиционирования воздуха могут использоваться и для кондиционирования воздуха и пользуются большей популярностью.
Некоторые преимущества систем принудительной вентиляции, которые в настоящее время широко используются в церквях, школах и элитных жилых домах, заключаются в следующем:
Недостатком является стоимость установки, которая может быть немного выше, чем у традиционных систем HVAC.
Энергоэффективность может быть улучшена еще больше в системах центрального отопления путем внедрения зонированного отопления. Это позволяет более гранулированно применять тепло, аналогично системам нецентрального отопления. Зоны контролируются несколькими термостатами. В системах водяного отопления термостаты управляют зональными клапанами , а в системах принудительной подачи воздуха они управляют зональными заслонками внутри вентиляционных отверстий, которые выборочно блокируют поток воздуха. В этом случае система управления очень важна для поддержания надлежащей температуры.
Прогнозирование — это еще один метод управления отоплением здания путем расчета потребности в тепловой энергии, которая должна быть поставлена в здание в каждую единицу времени.
Тепловые насосы с источником тепла из грунта или геотермальные тепловые насосы похожи на обычные тепловые насосы, но вместо передачи тепла в или из наружного воздуха они полагаются на стабильную, ровную температуру земли для обеспечения отопления и кондиционирования воздуха. Во многих регионах наблюдаются сезонные экстремальные температуры, которые потребуют использования мощного отопительного и охлаждающего оборудования для обогрева или охлаждения зданий. Например, обычная система теплового насоса, используемая для обогрева здания при низкой температуре в Монтане -57 °C (-70 °F ) или охлаждения здания при самой высокой температуре, когда-либо зарегистрированной в США — 57 °C (134 °F) в Долине Смерти , Калифорния, в 1913 году, потребовала бы большого количества энергии из-за огромной разницы между температурой внутреннего и наружного воздуха. Однако на глубине метра под поверхностью земли земля остается при относительно постоянной температуре. Используя этот большой источник относительно умеренной температуры земли, мощность системы отопления или охлаждения часто может быть значительно снижена. Хотя температура почвы варьируется в зависимости от широты, на глубине 1,8 метра (6 футов) под землей она обычно колеблется всего в пределах от 7 до 24 °C (от 45 до 75 °F).
Фотоэлектрические солнечные панели предлагают новый способ потенциального снижения эксплуатационных расходов на кондиционирование воздуха. Традиционные кондиционеры работают на переменном токе, и, следовательно, любая солнечная энергия постоянного тока должна быть инвертирована для совместимости с этими блоками. Новые блоки двигателей постоянного тока с переменной скоростью позволяют солнечной энергии легче управлять ими, поскольку это преобразование не требуется, и поскольку двигатели устойчивы к колебаниям напряжения, связанным с колебаниями подаваемой солнечной энергии (например, из-за облачности).
Системы рекуперации энергии иногда используют рекуперативную вентиляцию или рекуперативную вентиляцию , которые используют теплообменники или энтальпийные колеса для рекуперации явного или скрытого тепла из отработанного воздуха. Это делается путем передачи энергии из застоявшегося воздуха внутри дома в поступающий свежий воздух снаружи.
Производительность циклов компрессионного охлаждения пара ограничена термодинамикой . [ 39] Эти устройства кондиционирования воздуха и тепловые насосы перемещают тепло, а не преобразуют его из одной формы в другую, поэтому тепловая эффективность не описывает производительность этих устройств надлежащим образом. Коэффициент производительности (COP) измеряет производительность, но эта безразмерная мера не была принята. Вместо этого для характеристики производительности многих систем HVAC традиционно использовался коэффициент энергоэффективности ( EER ). EER — это коэффициент энергоэффективности, основанный на наружной температуре 35 °C (95 °F). Для более точного описания производительности оборудования для кондиционирования воздуха в течение типичного сезона охлаждения используется модифицированная версия EER, сезонный коэффициент энергоэффективности ( SEER ), или в Европе ESEER . Рейтинги SEER основаны на средних сезонных температурах вместо постоянной наружной температуры 35 °C (95 °F). Текущий минимальный рейтинг SEER в отрасли составляет 14 SEER. Инженеры указали на некоторые области, где эффективность существующего оборудования может быть улучшена. Например, лопасти вентилятора, используемые для перемещения воздуха, обычно штампуются из листового металла, что является экономичным методом производства, но в результате они не являются аэродинамически эффективными. Хорошо спроектированная лопасть может сократить электрическую мощность, необходимую для перемещения воздуха, на треть. [40]
Потребность в вентиляции кухни (DCKV) — это подход к управлению зданием для управления объемом вытяжной вентиляции кухни и приточного воздуха в ответ на фактическую нагрузку на готовку на коммерческой кухне. Традиционные системы вентиляции коммерческой кухни работают на 100% скорости вентилятора независимо от объема готовки, а технология DCKV изменяет это, обеспечивая значительную экономию энергии вентилятора и кондиционированного воздуха. Развертывая технологию интеллектуальных датчиков, можно управлять как вытяжными, так и приточными вентиляторами, чтобы извлечь выгоду из законов сродства для экономии энергии двигателя, снижения нагрева и охлаждения подпиточного воздуха, повышения безопасности и снижения уровня шума на кухне. [41]
Очистка и фильтрация воздуха удаляют из воздуха частицы, загрязняющие вещества, пары и газы. Отфильтрованный и очищенный воздух затем используется в отоплении, вентиляции и кондиционировании воздуха. Очистку и фильтрацию воздуха следует учитывать при защите окружающей среды в наших зданиях. [42] При наличии загрязняющие вещества могут выходить из систем HVAC, если их не удалить или не отфильтровать должным образом.
Скорость подачи чистого воздуха (CADR) — это количество чистого воздуха, которое воздухоочиститель подает в комнату или пространство. При определении CADR учитывается объем воздушного потока в пространстве. Например, воздухоочиститель с расходом 30 кубических метров (1000 кубических футов) в минуту и эффективностью 50% имеет CADR 15 кубических метров (500 кубических футов) в минуту. Наряду с CADR, производительность фильтрации очень важна, когда речь идет о воздухе в нашем помещении. Это зависит от размера частиц или волокон, плотности и глубины набивки фильтра, а также скорости воздушного потока. [42]
Ненадлежащее обслуживание кондиционеров/систем вентиляции может стать причиной появления плесени, бактерий и других загрязняющих веществ, которые затем распространяются по всему помещению, способствуя... [43]
Индустрия HVAC является всемирным предприятием, в сферу деятельности которого входят эксплуатация и техническое обслуживание, проектирование и строительство систем, производство и продажа оборудования, а также образование и исследования. Индустрия HVAC исторически регулировалась производителями оборудования HVAC, но для поддержки отрасли и поощрения высоких стандартов и достижений были созданы такие регулирующие и стандартизирующие организации, как HARDI (Heating, Air-conditioning and Refrigeration Distributors International), ASHRAE , SMACNA , ACCA (Air Conditioning Contractors of America), Uniform Mechanical Code , International Mechanical Code и AMCA . ( UL как всеобъемлющее агентство не относится только к отрасли HVAC.)
Начальная точка при выполнении оценки как для охлаждения, так и для отопления зависит от внешнего климата и внутренних заданных условий. Однако перед тем, как приступить к расчету тепловой нагрузки, необходимо подробно определить потребности в свежем воздухе для каждой зоны, поскольку подпор воздуха является важным фактором.
ISO 16813:2006 — один из стандартов ISO по окружающей среде зданий. [44] Он устанавливает общие принципы проектирования окружающей среды зданий. Он учитывает необходимость обеспечения здоровой внутренней среды для жильцов, а также необходимость защиты окружающей среды для будущих поколений и содействия сотрудничеству между различными сторонами, участвующими в проектировании окружающей среды зданий для обеспечения устойчивости. ISO16813 применим к новому строительству и модернизации существующих зданий. [45]
Стандарт проектирования окружающей среды здания направлен на: [45]
В Соединенных Штатах выдачей федеральных лицензий обычно занимаются организации, имеющие сертификат Агентства по охране окружающей среды (EPA) (для установки и обслуживания устройств HVAC).
Во многих штатах США есть лицензии на эксплуатацию котлов. Некоторые из них перечислены ниже:
Наконец, в некоторых городах США могут действовать дополнительные законы о труде, распространяющиеся на специалистов по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Многие инженеры HVAC являются членами Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха ( ASHRAE ). ASHRAE регулярно организует два ежегодных технических комитета и публикует признанные стандарты для проектирования HVAC, которые обновляются каждые четыре года. [56]
Еще одним популярным обществом является AHRI , которое регулярно предоставляет информацию о новых технологиях охлаждения и публикует соответствующие стандарты и кодексы.
Однако такие кодексы, как UMC и IMC, включают много подробностей о требованиях к установке. Другие полезные справочные материалы включают статьи из SMACNA , ACGIH и технических торговых журналов.
Американские стандарты проектирования законодательно закреплены в Едином механическом кодексе или Международном механическом кодексе. В некоторых штатах, округах или городах любой из этих кодексов может быть принят и изменен посредством различных законодательных процессов. Эти кодексы обновляются и публикуются Международной ассоциацией сантехников и механиков ( IAPMO ) или Международным советом по кодексам ( ICC ) соответственно, в течение 3-летнего цикла разработки кодексов. Обычно местные отделы разрешений на строительство отвечают за обеспечение соблюдения этих стандартов на частных и некоторых общественных объектах.
Технический специалист по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) — это специалист , специализирующийся на отоплении, вентиляции, кондиционировании воздуха и охлаждении. Технические специалисты по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) в США могут пройти обучение в официальных учебных заведениях, где большинство из них получают степени младшего специалиста . Обучение технических специалистов по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха включает в себя аудиторные лекции и практические задания, а также может сопровождаться ученичеством, в ходе которого недавний выпускник временно работает вместе с профессиональным техническим специалистом по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. [57] Технические специалисты по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), прошедшие обучение, также могут быть сертифицированы в таких областях, как кондиционирование воздуха, тепловые насосы, газовое отопление и коммерческое охлаждение.
Институт инженеров по обслуживанию зданий — это организация, которая охватывает основные услуги (системную архитектуру) , которые позволяют зданиям работать. Он включает в себя электротехническую, отопительную , вентиляционную , кондиционирующую, холодильную и сантехническую отрасли. Для обучения на инженера по обслуживанию зданий академическими требованиями являются GCSE (AC) / стандартные оценки (1-3) по математике и естественным наукам, которые важны для измерений, планирования и теории. Работодатели часто хотят иметь степень в области инженерии, такой как инженерия окружающей среды зданий , электротехника или машиностроение. Чтобы стать полноправным членом CIBSE, а также быть зарегистрированным Инженерным советом Великобритании в качестве дипломированного инженера, инженеры также должны получить степень с отличием и степень магистра по соответствующей инженерной специальности. [ требуется ссылка ] CIBSE публикует несколько руководств по проектированию систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, актуальных для рынка Великобритании, а также Республики Ирландия, Австралии, Новой Зеландии и Гонконга. Эти руководства включают в себя различные рекомендуемые критерии и стандарты проектирования, некоторые из которых цитируются в строительных нормах Великобритании, и, следовательно, формируют законодательное требование для крупных строительных работ. Основные руководства:
В строительном секторе работа инженера по строительным услугам заключается в проектировании и надзоре за установкой и обслуживанием основных услуг, таких как газ, электричество , вода, отопление и освещение , а также многих других. Все это помогает сделать здания комфортными и здоровыми местами для жизни и работы. Строительные услуги являются частью сектора, в котором работает более 51 000 предприятий и занято 2–3% ВВП .
Ответственными за это являются Ассоциация подрядчиков по кондиционированию воздуха и механике Австралии (AMCA), Австралийский институт холода, кондиционирования воздуха и отопления (AIRAH), Австралийская ассоциация механиков холодильного оборудования и CIBSE.
Азиатские архитектурные методы контроля температуры имеют иные приоритеты, чем европейские. Например, азиатское отопление традиционно фокусируется на поддержании температуры объектов, таких как пол или мебель, например, столы Котацу , и непосредственном обогреве людей, в отличие от западного фокуса, в современные периоды, на проектировании воздушных систем.
Филиппинское общество инженеров по вентиляции, кондиционированию воздуха и холодильной технике (PSVARE) совместно с Филиппинским обществом инженеров-механиков (PSME) регулируют разработку норм и стандартов для систем HVAC/MVAC (MVAC означает «механическая вентиляция и кондиционирование воздуха») на Филиппинах.
Индийское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ISHRAE) было создано для развития отрасли HVAC в Индии. ISHRAE является ассоциированным членом ASHRAE. ISHRAE было основано в Нью-Дели [58] в 1981 году, а в Бангалоре в 1989 году открылось отделение. В период с 1989 по 1993 год отделения ISHRAE были созданы во всех крупных городах Индии. [ необходима цитата ]
Медиа, связанные с контролем климата на Wikimedia Commons