Передача тепла и БТЕ

Наука, стоящая за комфортом

HVAC — это прикладная термодинамика. Каждая система отопления и охлаждения работает путем перемещения тепла с одного места на другое. Первый закон термодинамики говорит нам, что энергия не может быть создана или уничтожена — только передана. Кондиционер не создает холод. Он перемещает тепло изнутри здания наружу.

BTU (британская тепловая единица) — стандартная единица тепловой энергии в торговле HVAC. Один BTU — это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного фунта воды на один градус Фаренгейта. Типичная система кондиционирования воздуха в жилом помещении рассчитана на 24 000–60 000 БТЕ в час. Один тон охлаждения равен 12 000 БТЕ/ч — это происходит от количества тепла, необходимого для плавления одной тонны льда за 24 часа.

Три способа передачи тепла:

Проводимость — передача тепла через прямой контакт между материалами. Горячая медная линия хладагента, согревающая вашу руку, — это проводимость. Тепло передается через стенки теплообменника проводимостью.

Конвекция — тепло, переносимое движущейся жидкостью (воздухом или жидкостью). Печь с принудительной подачей воздуха нагревает воздух, и вентилятор проталкивает его через воздуховоды — это конвекция. Хладагент, текущий через систему, переносит тепло конвекцией.

Излучение — тепло, передаваемое электромагнитными волнами без среды. Солнце, согревающее крышу, — это излучение. Лучистое отопление полов нагревает объекты напрямую, не нагревая сначала воздух.

Явное тепло против скрытого тепла — явное тепло изменяет температуру вещества, и вы можете измерить его с помощью термометра. Скрытое тепло изменяет состояние вещества (жидкость в газ или газ в жидкость) без изменения его температуры. В HVAC скрытое тепло критично, потому что хладагент поглощает огромное количество тепла, когда он испаряется из жидкости в газ внутри катушки испарителя. Это изменение фазы — то, что делает кондиционирование воздуха возможным.

Явное и скрытое тепло

В влажный летний день вы входите в кондиционируемое здание. Воздух кажется прохладнее и суше, чем снаружи. Вы заметили, что из конденсационного дренажного трубопровода около внутреннего блока капает вода.

Четыре компонента, один цикл

Сердце каждого кондиционера и теплового насоса

Цикл охлаждения с компрессией паров — это двигатель, приводящий в движение каждый кондиционер, тепловой насос, холодильник и морозильник. Он перемещает тепло с места, которое вы хотите охладить, на место, где вы можете его сбросить. Цикл имеет четыре основных компонента, соединенных в замкнутый цикл.

1. Компрессор — насос системы. Он берет низкого давления, низкотемпературный пар хладагента из испарителя и сжимает его в высокого давления, высокотемпературный пар. Сжатие добавляет энергию хладагенту, повышая его температуру намного выше температуры наружного воздуха, чтобы он мог отвести тепло наружу. Компрессор — самый дорогой компонент и тот, который потребляет больше всего электроэнергии.

2. Конденсатор (наружная катушка) — высокого давления, высокотемпературный пар входит в катушку конденсатора. Вентилятор продувает наружный воздух через катушку. Поскольку хладагент горячее наружного воздуха, тепло передается от хладагента к воздуху. Хладагент выделяет свое тепло (включая скрытое тепло, которое он поглотил внутри) и конденсируется из пара в высокого давления жидкость. Переохлаждение — это дополнительное охлаждение жидкости ниже ее температуры конденсации — это гарантирует, что весь хладагент полностью жидкий до того, как он достигнет устройства расширения.

3. Устройство расширения (дозирующее устройство) — жидкость высокого давления проходит через ограничение — термостатический клапан расширения (TXV) или фиксированное отверстие. Внезапный перепад давления вызывает резкое падение точки кипения хладагента. Часть жидкости мгновенно испаряется в пар, и температура резко падает. Хладагент теперь представляет собой холодную смесь жидкости и пара низкого давления.

4. Испаритель (внутренняя катушка) — холодный хладагент входит в катушку испарителя. Внутренний воздух продувается через катушку вентилятором. Хладагент поглощает тепло от теплого внутреннего воздуха и испаряется из жидкости в газ. Перегрев — это дополнительное нагревание пара выше его точки кипения — это гарантирует, что весь хладагент полностью испаряется до того, как он вернется в компрессор, потому что попадание жидкости в компрессор может его разрушить.

Цикл повторяется непрерывно: сжимать, конденсировать, расширять, испаряться. Тепло поглощается внутри и отводится наружу.

Хладагенты — рабочая жидкость в цикле. R-22 (Freon) был стандартом в течение десятилетий, но сейчас поэтапно снимается с производства из-за истощения озонового слоя. R-410A заменил его в большинстве жилых систем. R-454B — это следующее поколение с более низким потенциалом глобального потепления. Обращение с хладагентами требует сертификации EPA Section 608 — выброс хладагента в атмосферу является федеральным нарушением.

Отслеживание цикла

Домовладелец звонит и говорит, что его кондиционер работает, но не охлаждает. Вы приезжаете и обнаруживаете, что вентилятор наружного блока вращается, компрессор работает, а внутренний вентилятор перемещает воздух. Но воздух, выходящий из вентиляционных отверстий подачи, теплый. Вы проверяете линии хладагента и замечаете, что большая всасывающая линия (которая должна быть холодной и покрытой конденсацией) теплая на ощупь.

Печи, тепловые насосы и котлы

Как здания согреваются

Пока кондиционирование воздуха доминирует в летней работе, системы отопления держат технологов HVAC занятыми всю зиму. Три основные технологии отопления имеют различные принципы работы.

Газовая печь — сжигает природный газ или пропан в камере сгорания. Горячие газы сгорания проходят через теплообменник — набор металлических трубок или сборка в виде раковины. Внутренний воздух продувается через внешнюю сторону теплообменника, впитывает тепло и распределяется через воздуховоды. Газы сгорания выходят наружу через дымоход или трубу вентиляции из ПВХ. Треснутый теплообменник — одна из самых опасных отказов в HVAC — это позволяет монооксиду углерода (CO) смешиваться с внутренней подачей воздуха. Годовой анализ сгорания (проверка уровней CO, давления газа, повышения температуры и тяги дымохода) — это критическая работа безопасности.

Тепловой насос — тот же цикл охлаждения, что и кондиционер, но с четырехходовым клапаном, который переключает направление потока хладагента. В режиме охлаждения он перемещает тепло изнутри наружу, как стандартный кондиционер. В режиме отопления четырехходовой клапан переключается, и система перемещает тепло из наружного воздуха в здание. Наружная катушка становится испарителем (поглощение тепла из наружного воздуха), а внутренняя катушка становится конденсатором (выпуск тепла внутри). Тепловые насосы могут извлекать тепло из наружного воздуха даже при низких температурах, хотя их эффективность снижается по мере падения температуры. Большинство систем тепловых насосов включают вспомогательные нагревательные элементы электрического сопротивления для очень холодных дней.

Котел — нагревает воду (гидронная система) или генерирует пар и распределяет его через трубы радиаторам, плинтусным обогревателям или трубам теплого пола. Котлы сжигают газ, масло или используют электрические элементы. Гидронные системы распространены в старых зданиях и в коммерческих приложениях. Работа с котлом включает понимание химии воды, предохранительных клапанов давления, расширительных баков и циркуляционных насосов.

Рейтинги эффективности — печи оцениваются по AFUE (Annual Fuel Utilization Efficiency). Печь с КПД 96% конвертирует 96% энергии топлива в тепло. Тепловые насосы оцениваются по HSPF (Heating Seasonal Performance Factor) для отопления и SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) для охлаждения. Более высокие цифры означают более высокую эффективность.

Тепловой насос против печи

Домовладелец в умеренном климате (зимы около 30-40 градусов по Фаренгейту) спрашивает вас, следует ли им заменить свою старую газовую печь на тепловой насос. Они хотят сэкономить на счетах за электроэнергию и снизить свой углеродный след.

Воздуховоды, поток воздуха и фильтрация

Получение воздуха там, где ему нужно быть

Лучшая печь или кондиционер в мире бесполезны, если система распределения воздуха не может доставить кондиционированный воздух в каждую комнату. Проектирование воздуховодов и управление потоком воздуха — основные навыки HVAC.

Типы воздуховодов — листовой металл (жесткий прямоугольный или круглый), гибкий воздуховод (гибкие изолированные трубки) и доска воздуховода (жесткие стекловолоконные панели). Листовой металл наиболее прочен и эффективен. Гибкий воздуховод дешевле и проще установить, но его нужно натягивать туго — перегибы или сжатие гибкого воздуховода убивают поток воздуха. Каждый тип имеет специфические применения в зависимости от здания, бюджета и требований кода.

Измерение потока воздуха — объем воздуха измеряется в CFM (кубических футах в минуту). Каждая комната требует определенного CFM в зависимости от ее размера, тепловой нагрузки и количества жильцов. Типичный дом площадью 2000 квадратных футов может потребовать 800-1200 CFM в общей сложности. Технологи используют анемометр или измеритель потока для измерения CFM в каждом регистре.

Статическое давление — сопротивление потоку воздуха в системе воздуховодов, измеряемое в дюймах водяного столба (in. w.c.) с помощью манометра. Думайте об этом как о кровяном давлении — слишком высокое означает, что что-то ограничивает поток (грязный фильтр, разрушенный воздуховод, недостаточно размерный воздуховод). Слишком низкое означает утечки или слабый вентилятор. Целевое общее внешнее статическое давление для большинства жилых систем составляет 0,50 в. w.c. или менее. Высокое статическое давление заставляет вентилятор работать усерднее, тратит энергию, снижает поток воздуха и сокращает срок службы оборудования.

Фильтрация — воздушные фильтры удаляют пыль, пыльцу и частицы из рециркулируемого воздуха. Фильтры оцениваются по MERV (Minimum Efficiency Reporting Value) от 1 до 20. Стандартные жилые фильтры — это MERV 8-11. Больничного класса это MERV 13-16. Более высокий MERV означает лучшую фильтрацию, но также более высокое статическое давление — фильтр, который слишком ограничительный для системы, перекрывает поток воздуха и может заморозить катушку испарителя.

Возвратный воздух — большинство систем имеют воздуховоды подачи (доставка кондиционированного воздуха) и возвратные воздуховоды (возврат воздуха в установку для кондиционирования). Недостаточный возвратный воздух — одна из самых распространенных проблем жилых воздуховодов — это создает дисбалансы давления, хлопает двери и заставляет систему работать против себя.

Диагностика проблем потока воздуха

Домовладелец жалуется, что его спальни наверху всегда слишком теплые летом, а внизу остается комфортно. Система представляет собой однозонный кондиционер с одним термостатом, расположенным внизу. Воздуховоды проходят через горячий чердак, чтобы добраться до верхних регистров. Вы измеряете статическое давление и обнаруживаете, что оно составляет 0,85 в. w.c. — намного выше целевого показателя 0,50.

Начало работы в профессии

Карьера и сертификация HVAC

HVAC — это один из наиболее востребованных квалифицированных ремесел в стране. Бюро статистики труда прогнозирует более чем среднее увеличение количества рабочих мест, и опытные технологи в дефиците. Работа не может быть передана на аутсорсинг — зданиям нужны местные технологи, которые могут приехать и починить систему.

Сертификация EPA Section 608 — требуется по федеральному закону для покупки или обращения с хладагентами. Есть четыре типа: Type I (малые приборы), Type II (системы высокого давления, такие как жилые кондиционеры), Type III (системы низкого давления, такие как большие чиллеры), и Universal (все типы). Большинство технологов HVAC получают сертификацию Universal рано в своем обучении. Тест охватывает обращение с хладагентами, восстановление, переработку и правила охраны окружающей среды.

Сертификация NATE — North American Technician Excellence, ведущая сертификация отрасли. Тесты NATE охватывают конкретные типы систем (кондиционирование воздуха, тепловые насосы, газовые печи и т. д.) и подтверждают реальные навыки диагностики. Многие работодатели предпочитают или требуют сертифицированных технологов NATE.

Ученичество против торговой школы — программы торговой школы (6 месяцев до 2 лет) преподают основы в классе и лаборатории. Профсоюзное ученичество (обычно 4-5 лет) сочетает обучение в классе с оплачиваемым обучением на рабочем месте под руководством путешественника. Оба пути ведут к карьере, но ученичество платит вам во время обучения и дает вам тысячи часов контролируемого полевого опыта.

Жилые здания против коммерческих — технологи жилых зданий работают на домах — сплит-системы, печи, воздуховоды. Коммерческие технологи работают на большом оборудовании — кровельные блоки, чиллеры, градирни, системы автоматизации зданий и системы переменного воздушного объема (VAV). Коммерческая работа более сложная и обычно лучше оплачивается.

Специализации — Охлаждение (супермаркеты, холодное хранилище, общественное питание), управление и автоматизация зданий (системы DDC, BACnet, программируемые контроллеры), качество внутреннего воздуха, энергоаудит и проектирование систем. Технологи HVAC, которые изучают управление и автоматизацию, пользуются особенно высоким спросом по мере того, как здания становятся умнее.

Заработки — технологи HVAC начального уровня обычно начинают с 35 000–45 000 долларов США. Опытные жилые технологи зарабатывают 50 000–75 000 долларов США. Коммерческие и промышленные технологи с сертификатами и специализациями могут зарабатывать 75 000–100 000 долларов США или больше. Владельцы бизнеса и подрядчики не имеют ограничений.

Планирование вашего пути

Свяжите HVAC со своим будущим

Вы теперь знаете термодинамику отопления и охлаждения, холодильный цикл, как печи и тепловые насосы генерируют тепло, и как воздуховоды доставляют кондиционированный воздух в здание.