Przenoszenie Ciepła i BTU

Nauka Za Komfortem

HVAC to zastosowanie termodynamiki. Każdy system grzewczy i chłodzący działa poprzez przemieszczanie ciepła z jednego miejsca do drugiego. Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że energia nie może być stworzona ani zniszczona: może być tylko przenoszona. Klimatyzator nie tworzy zimna. Przenosi ciepło z wnętrza budynku na zewnątrz.

BTU (Brytyjska Jednostka Cieplna): Standardowa jednostka energii cieplnej w branży HVAC. Jedno BTU to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury jednego funta wody o jeden stopień Fahrenheita. Typowy domowy system chłodzenia jest oceniany na 24 000 do 60 000 BTUh. Jedna tona chłodzenia równa się 12 000 BTUh, co pochodzi z ilości ciepła potrzebnego do stopienia jednej tony lodu w ciągu 24 godzin.

Trzy tryby przekazywania ciepła:

Przenoszenie ciepła przez kontakt bezpośredni (kondukcja): Ciepło przemieszcza się poprzez bezpośredni kontakt między materiałami. Gorąca rura z refrigerantem ciepłej wody ciepło przekazuje swoim ręką. Ciepło przepływa przez ścianki wymiennika przez kondukcję.

Przenoszenie ciepła przez ciecz (konwekcja): Ciepło przenoszone jest przez ruch płynu (powietrza lub cieczy). Wentylator zgrzewarki przenosi ciepło powietrza, które następnie jest wysyłane przez rury, co jest konwekcją. Refrigerant przepływający przez system przenosi ciepło przez konwekcję.

Promieniowanie: Przenoszenie ciepła poprzez falę elektromagnetyczną bez pośrednictwa medium. Słońce ogrzewa dach przez promieniowanie. Podłogowe ogrzewanie promieniowe ogrzewa obiekty bezpośrednio bez ogrzewania powietrza najpierw.

Ciepło czułe i ciepło ukryte: Ciepło czułe zmienia temperaturę substancji i można je pomierzyć termometrem. Ciepło ukryte zmienia stan substancji (ciekły do gazowego lub gaz do ciekłego) bez zmiany temperatury. W HVAC, ciepło ukryte jest kluczowe, ponieważ refrigerant absorbują ogromne ilości ciepła, gdy się parzy z ciekłego do gazowego wewnętrznym wężem. To zmiana fazowa, która sprawia, że możliwe jest klimatyzacja.

Ciepło Czułe i Ciepło Ukryte

W upalny dzień, kiedy jest dużo wilgoci w powietrzu, wejdziesz do klimatyzowanego budynku. Powietrze wydaje się chłodniejsze i suchsze niż na zewnątrz. Zauważesz, że woda spływa z rury odprowadzającej kondensat blisko jednostki na świeżym powietrzu.

Cztery Składniki, Jedna Pętla

Serce każdego klimatyzatora i pompy ciepła

Cykl chłodniczy z zapętlonym parowanie jest silnikiem napędzającym każdy klimatyzator, pompę ciepła, lodówkę i zmywarkę. Przenosi ciepło z miejsca, w którym chcesz, aby było chłodniejsze, do miejsca, w którym możesz go wyrzucić. Cykl ten składa się z czterech głównych składników połączonych w zamkniętą pętlę.

1. Kompresor: Pompę systemu. Zatrzymuje ono niskociśnieniowy, niskotemperaturowy par parę z evaporatora i kompresuje ją w wysokociśnieniowy, wysokotemperaturowy par. Kompresja dodaje energię do par, podnosząc ich temperaturę znacznie powyżej temperatury zewnętrznego powietrza, aby mogły odrzucać ciepło na zewnątrz. Kompresor to najdroższy składnik i ten, który najwięcej energii zużywa.

2. Kondensator (zewnętrzny obwód): Wysokociśnieniowy, wysokotemperaturowy par wpada do obwodu kondensacyjnego. Klapa wietzna wietrzy zewnętrzne powietrze przez obwód. Ponieważ ciecz jest gorętsza niż zewnętrzne powietrze, ciepło przenosi się z cieczy na powietrze. Ciecz wydala swoje ciepło (w tym ciepło latente, które wchłonęła wewnętrznie) i kondensuje z par do wysokociśnieniowej cieczy. Nadmrażanie to dodatkowe ochładzanie cieczy poniżej jej temperatury kondensacji, zapewnia, że cała ciecz jest w stanie płynnym przed dotarciem do urządzenia rozszczepiającego.

3. Urządzenie rozszczepiające (metryczne): Wysokociśnieniowa ciecz przechodzi przez ograniczenie, zawór rozszczepiający o stałym przepływie lub zawór termostatyczny (TXV). Szybki spadek ciśnienia powoduje, że temperatura parowania spada drastycznie. Część cieczy zamienia się w parę, a temperatura spada drastycznie. Ciecz teraz jest zimna, niskociśnieniowa mieszanka cieczy i par.

4. Evaporator (wewnętrzny obwód): Zimna ciecz wpada do obwodu evaporatora. Powietrze wewnętrzne wietrzy się przez obwód, dzięki czujnikowi bierzącemu. Ciecz absorbując ciepło z ciepłego powietrza wewnętrznego i paruje z cieczy do gazu. Nadgrzanie to dodatkowe nagrzewanie gazu powyżej jego punktu rozszczepienia, zapewnia, że cała ciecz jest w stanie parze przed powrotem do kompresora, ponieważ ciecz ściśli się w kompresorze może go zniszczyć.

Cykl powtarza się ciągle: kompresja, kondensacja, rozszczepianie, parowanie. Ciepło jest wytwarzane wewnętrznie i odrzucane na zewnątrz.

Ogrzeczające środki: Ciecz robocza w cyklu. R-22 (Freon) był standardem przez dziesięciolecia, ale teraz jest wycofywany z powodu rozkładu ozonowej. R-410A zastąpił go w większości systemów mieszkaniowych. R-454B to następne pokolenie, z niższym potencjałem globalnym rozgrzewającym. Przyrządzanie ogrzeczających środków wymaga certyfikacji EPA Section 608, wyrzut środków ogrzeczających do atmosfery jest naruszeniem federalne.

Śledzenie Cyklu

Klient domowy dzwoni i mówi, że ich klimatyzator działa, ale nie ochładza. Przybywasz i znajdujesz na zewnątrz jednostkę chłodniczą, których wirnik jest obracający się, kompresor jest uruchomiony, a wewnętrzny wentylator przesuwają powietrze. Ale powietrze wychodzące z wylotów wentylatorów jest ciepłe. Sprawdzasz rury chłodnicze i zauważasz, że duża rura ssąca (która powinna być zimna i potna kondensacją) jest ciepła do dotknięcia.

Kaminy grzewcze, pompy ciepła i kotły

Jak budynki się nagrzewają

Chociaż klimatyzacja dominuje w pracy latem, systemy grzewcze utrzymują techników HVAC zajętych przez cały zimowy okres. Trzy główne technologie grzewcze mają różne zasady działania.

Kamionka gazowa: Spala gaz ziemny lub propan w komorze spalania. Gorące spaliny przepuszczają się przez wymiennik ciepła, zestaw metalowych rur lub obudowa w kształcie muszelki. Powietrze wewnętrzne przepływa przez zewnętrzną stronę wymiennika ciepła, nabiera ciepła i jest rozdystrybuowane przez rury wentylacyjne. Spaliny wychodzą na zewnątrz przez dymarke lub rurę PVC. Złamany wymiennik ciepła to jedno z najbardziej niebezpiecznych awarii w HVAC: pozwala na mieszanie się dwutlenku węgla (CO) z podaży powietrza wewnętrznego. Roczna analiza spalania (sprawdzanie poziomu CO, ciśnienia gazów, wzrostu temperatury i przepływu dymu) jest niezbędna do pracy bezpieczeństwa.

Kompresor ciepła: To samo cyklu chłodniczego, co wentylator, ale z zaworem odwracającym, który zmienia kierunek przepływu cieczy. W trybie chłodzenia przesuwa ciepło z wnętrza na zewnątrz, dokładnie jak standardowy klimatyzator. W trybie grzanego zawór odwracający obraca się, a system przesuwa ciepło z powietwa zewnętrznego do budynku. Zewnętrzny obwód staży staje się ekspanderem (wchłaniając ciepło z powietrza zewnętrznego) i wewnętrzny obwód stały staje się kondensatorem (wypuszcza ciepło wewnątrz). Kompresory mogą wydobyć ciepło z powietrza zewnętrznego nawet przy niskich temperaturach, choć ich efektywność spada w miarę jak temperatura spada. Więska systemów kompresorowych kompresorowych obejmuje dodatkowe opary elektryczne dla bardzo zimnych dni.

Parownik: Nagrzewa wodę (hydroniczny system) lub generuje parę i rozprzestrzenia ją przez rury do radiatoriów, podstawowych elementów grzejnych lub przewodów podłogowych. Parowniki spalają gaz, olej lub używają elementów elektrycznych. Systemy hydroniczne są powszechne w starszych budynkach i w zastosowaniach komercyjnych. Praca na parowniku obejmuje zrozumienie chemii wody, zaworów odrzucających ciśnienie, zbiorników rozszczepiających się i pomp obiegowych.

Oceniające efektywność: Kotły są oceniane przez AFUE (roczne wykorzystanie efektywności paliwa). Kotł o 96% AFUE przetwarza 96% energii paliwa na ciepło. Kompresory ciepła są oceniane przez HSPF (Współczynnik Sezonowy Wydajności Grzania) dla grzania i SEER (Współczynnik Sezonowy Wydajności Klimatyzacji) dla chłodzenia. Wyższe liczby oznaczają wyższą efektywność.

Kompresor ciepła w porównaniu z kotłem

Właściciel domu z umiarkowanego klimatu (zimy w okolicy 30-40 stopni Fahrenheita) zapyta Cię, czy powinni zastąpić swojego starego kotła gazowego kompresorem ciepła. Chcą zaoszczędzić na rachunkach za energię i zmniejszyć swój ślad węgla.

Kanalizacja powietrza, przepływ powietrza i filtracja

Przewodzenie powietrza na miejsce

Najlepszy piec lub klimatyzator na świecie nie będzie mieć sensu, jeśli system dystrybucji powietrza nie będzie mógł dostarczyć kondycjonowanego powietrza do każdego pokoju. Projektowanie rur kanalizacyjnych i zarządzanie przepływem powietrza to podstawowe umiejętności w obszarze HVAC.

Rodzaje rur: blachy (wymiary prostokątne lub okrągłe) oraz rur z miękkiego materiału (elastyczne rury z izolacją) oraz rury z włókna szklanego (wymiary rur sztywnych). Blacha jest najwytrzymalsza i najbardziej efektywna. Rury z miękkiego materiału są tańsze i łatwiejsze do zainstalowania, ale muszą być wyprostowane, skręcone lub zaciśnięte rury z miękkiego materiału zabija przepływ powietrza. Każdy typ ma swoje zastosowania na podstawie budynku, budżetu i wymagań prawnych.

Pomiary przepływu powietrza: Obroty powietrza mierzymy w CFM (cubic feet per minute). Każde pokoje wymaga określonej liczby CFM na podstawie jego wielkości, obciążenia cieplnego i liczby mieszkańców. Technicy używają anemometru lub klosza przepływowego do pomiaru CFM na każdym otworze dostarczania powietrza.

Ciśnienie statyczne: Opór przepływu powietrza w systemie rur kanalizacyjnych, mierzone w calach wody (in. w.c.) za pomocą manometru. Można to porównać do ciśnienia krwi, zbyt wysokie oznacza, że coś utrudnia przepływ (brudny filtr, zawaliąca się rura, niewystarczająca instalacja rur). Za niskie ciśnienie wskazuje na przecieki lub słabego sprężare. Celem całkowitego zewnętrznego ciśnienia statycznego dla większości systemów mieszkalnych jest 0,50 cala wody lub mniej. Duże ciśnienie statyczne zmusza sprężarkę do pracy na większe obciążenie, marnuje energię, zmniejsza przepływ powietrza i skraca żywotność urządzeń.

Filtracja: Filtry powietrza usuwają pyłki, pylaki i cząstki z powietrza odwróconego w obiegu. Filtry są oceniane przez MERV (Minimum Efficiency Reporting Value) od 1 do 20. Standardowe rezultaty filtrów mieszkalnych to MERV 8-11. Filtry szpitalne to MERV 13-16. Wyższy MERV oznacza lepszą filtrację, ale także wyższe ciśnienie statyczne. Filtr, który jest zbyt restrykcyjny dla systemu, zakłóca przepływ powietrza i może zamarznąć obwód kondensacji.

Powrót powietrza: Większość systemów ma rury dostarczające (dostarczające powietrza z klimatyzacji) i rury powrotne (odczuwające powietrze do jednostki na ponowne przygotowanie). Niedostateczny przepływ powietrza powrotne to jeden z najczęstszych problemów z rurami kanalizacyjnymi w domach, tworzy nierównowagę ciśnienia, sprawia, że drzwi się zamykają, i zmusza system do pracy przeciwko sobie.

Diagnostyka problemów z przepływem powietrza

Domniemiarz skarży się, że jego pokoje na piętrze zawsze są zbyt ciepłe latem, podczas gdy na parterze jest wygodnie. System to pojedyncza strefa klimatyzacji z jednym termostatem umieszczonym na parterze. Rury wentylacyjne biegną przez ciepły strych, aby dotrzeć do zaciśnięć na piętrze. Pomiary ciśnienia statycznego wykazały, że wynosi ono 0,85 cala w.g.: znacznie wyżej niż celowy 0,50 cala w.g.

Wprowadzenie na rynek

Kariery w HVAC

HVAC to jeden z najbardziej wymaganych zawodów w kraju. Według Bureau of Labor Statistics przewidywane jest szybsze tempo wzrostu zatrudnienia niż średnio, a doświadczeni technicy są w niedostatku. Praca nie może być zlecona za granicę: budynki potrzebują lokalnych techników, którzy mogą przyjechać i naprawić system.

Certyfikat EPA Section 608: Wymagany przez federalne prawo do zakupu lub obsługi refrigerantów. Są cztery rodzaje: Type I (małe urządzenia gospodarstwa domowego), Type II (systemy wysokiego ciśnienia, takie jak klimatyzacja domowa), Type III (systemy niskiego ciśnienia, takie jak duże chłodnie) oraz Universal (wszystkie rodzaje). Większość techników HVAC uzyskuje certyfikację Universal na początku swojej nauki. Test obejmuje obsługę, wydobywanie, recykling i przepisy dotyczące środowiska.

Certyfikat NATE: North American Technician Excellence, liderujące certyfikaty branżowe. NATE obejmuje konkretne typy systemów (klimatyzacja, pompy ciepła, piece na gaz itp.) oraz potwierdza rzeczywiste umiejętności diagnostyczne. Wielu pracodawców preferuje lub wymaga u pracowników certyfikatu NATE.

Praktyka zawodowa vs. szkoła zawodowa: Programy szkół zawodowych (od 6 miesięcy do 2 lat) nauczają podstaw w klasach i laboratoriach. Aparatury związkowe (często 4-5 lat) łączą naukę w klasach z płatną praktyką zawodową pod okiem mistrza. Obie ścieżki prowadzą do kariery, ale praktyki zawodowe płacą Ci podczas nauki i dają tysiące godzin doświadczenia w polu pod nadzorem.

Mieszkalne vs. handlowe: Technicy mieszkaniowi pracują w domach, jednostkach podziałowych, piecach, rurach wentylacyjnych. Technicy handlowi pracują na większych urządzeniach: jednostki dachowe, chłodnice, wieże chłodnicowe, systemy automatyki budynkowej oraz zmienną ilość powietrza (VAV). Praca handlowa jest bardziej złożona i typowo płaci więcej.

Specjalizacje: Chłodnictwo (sklepy, magazyny mrożenie, usługi gastronomiczne), sterowanie i automatyka (systemy DDC, BACnet, sterowniki programowalne), jakość powietrza wewnętrznego, audyty energetyczne oraz projektowanie systemów. Technicy HVAC, którzy uczą się sterowania i automatyki, są szczególnie wysokiej popytu, ponieważ budynki stają się mądrzejsze.

Zarobki: Technicy HVAC rozpoczynający karierę zaczynają od 35 000-45 000 dolarów. Doświadczeni technicy mieszkaniowi zarabiają 50 000-75 000 dolarów. Technicy handlowi i przemysłowi z certyfikatami i specjalizacjami mogą zarabiać 75 000-100 000 dolarów lub więcej. Właściciele firm i kontrahenci nie mają góry.

Planowanie swojego ścieżki

Połącz HVAC z Twoim przyszłością

Teraz wiesz o termodynamice zaopatrzenia w ciepło i chłodzenie, o cyklu chłodniczym, o tym, jak piecówki i pompy ciepła generują ciepło, oraz o tym, jak rury dostarczają powietrze o właściwej temperaturze do budynku.