Теплопередача та BTU

Наука за комфортом

HVAC — це прикладна термодинаміка. Кожна система опалення та охолодження працює шляхом переміщення тепла з одного місця в інше. Перший закон термодинаміки говорить нам, що енергія не може бути створена або знищена — вона може бути лише передана. Кондиціонер не створює холод. Він переміщує тепло з внутрішньої частини будівлі назовні.

BTU (британська теплова одиниця) — стандартна одиниця теплової енергії в HVAC-професії. Один BTU — це кількість тепла, необхідна для підвищення температури одного фунта води на один градус Фаренгейта. Типова житлова система кондиціювання повітря оцінюється в 24 000-60 000 BTU на годину. Один тон охолодження дорівнює 12 000 BTU/год — це походить від кількості тепла, необхідної для танення однієї тони льоду за 24 години.

Три способи теплопередачі:

Теплопровідність — тепло, що рухається через прямий контакт між матеріалами. Гарячий мідний охолоджуючий трубопровід, що нагріває вашу руку — це теплопровідність. Тепло протікає через стінки теплообмінника через теплопровідність.

Конвекція — тепло, що переноситься рухомою рідиною (повітря або рідина). Примусово-повітряна піч нагріває повітря, а вентилятор його проштовхує через повітропроводи — це конвекція. Охолоджуюча рідина, що протікає через систему, переносить тепло через конвекцію.

Випромінювання — тепло, передане електромагнітними хвилями без середовища. Сонце, що нагріває дах — це випромінювання. Радіаційне підлогове опалення безпосередньо нагріває предмети без попереднього нагрівання повітря.

Явне тепло проти прихованого тепла — явне тепло змінює температуру речовини, і ви можете його виміряти термометром. Приховане тепло змінює стан речовини (рідину в газ або газ в рідину) без зміни його температури. У HVAC приховане тепло критично важливо, оскільки охолоджуюча рідина поглинає величезну кількість тепла, коли вона випаровується з рідини в газ всередині випарювального котушки. Ця зміна стану — це те, що робить кондиціювання повітря можливим.

Явне тепло проти прихованого

У вологий літній день ви входите в кондиціонований будинок. Повітря відчувається холоднішим та сухішим, ніж надворі. Ви помічаєте воду, що крапає з лінії конденсату біля внутрішньої установки.

Чотири компоненти, один цикл

Серце кожного кондиціонера та теплового насоса

Цикл охолодження з паровою компресією — це двигун, що приводить в дію кожен кондиціонер, тепловий насос, холодильник та морозильник. Він переміщує тепло з місця, яке ви хочете охолодити, у місце, де ви можете його позбутися. Цикл містить чотири основні компоненти, з'єднані в замкнений цикл.

1. Компресор — насос системи. Він приймає охолоджуючу рідину низького тиску та низької температури від випарювального котушки та стискує її в охолоджуючу рідину високого тиску та високої температури. Стиснення додає енергію до охолоджуючої рідини, піднімаючи її температуру далеко вище температури зовнішнього повітря, щоб вона могла відхідити тепло назовні. Компресор — найдорожчий компонент та той, який споживає найбільше електроенергії.

2. Конденсатор (зовнішній котушка) — охолоджуюча рідина високого тиску та високої температури входить до конденсаторного котушки. Вентилятор продмухує зовнішнє повітря через котушку. Оскільки охолоджуюча рідина гарячіша за зовнішнє повітря, тепло передається від охолоджуючої рідини до повітря. Охолоджуюча рідина відхідить своє тепло (включаючи приховане тепло, яке вона поглинула всередині) та конденсується з пари на рідину високого тиску. Переохолодження — це додаткове охолодження рідини нижче її температури конденсації — це забезпечує, що вся охолоджуюча рідина повністю рідка, перш ніж вона досягне пристрою розширення.

3. Пристрій розширення (дозуючий пристрій) — рідина високого тиску проходить через обмеження — термостатичний клапан розширення (TXV) або фіксований отвір. Раптовий перепад тиску призводить до падіння точки кипіння охолоджуючої рідини. Частина рідини переходить у пару, а температура різко падає. Охолоджуюча рідина тепер є холодною сумішшю низького тиску рідини та пари.

4. Випарювальний котушка (внутрішній котушка) — холодна охолоджуюча рідина входить до випарювального котушки. Внутрішнє повітря продмухується через котушку мотором вентилятора. Охолоджуюча рідина поглинає тепло з теплого внутрішнього повітря та випаровується з рідини в газ. Перегрів — це додатковий нагрів пари вище її точки кипіння — це забезпечує, що вся охолоджуюча рідина повністю випарована, перш ніж вона повертається до компресора, оскільки рідка пломба в компресор може його знищити.

Цикл повторюється постійно: стиснути, конденсувати, розширити, випарувати. Тепло поглинається всередині та відхідається назовні.

Охолоджуючі рідини — робоча рідина в циклі. R-22 (Freon) був стандартом протягом десятиліть, але тепер він поступово замінюється через руйнування озону. R-410A замінив його у більшості житлових систем. R-454B — це наступне покоління з нижчим потенціалом глобального потепління. Обробка охолоджуючих рідин вимагає сертифікації EPA Section 608 — випускання охолоджуючої рідини в атмосферу є федеральним порушенням.

Трасування цикла

Домовласник звертається й говорить, що його кондиціонер працює, але не охолоджує. Ви прибуваєте і виявляєте, що вентилятор зовнішної установки обертається, компресор працює, а внутрішній вентилятор рухає повітря. Але повітря, що виходить з припливних отворів, тепле. Ви перевіряєте охолоджуючі трубопроводи і помічаєте, що великий всмоктуючий трубопровід (який повинен бути холодним та потіючим від конденсату) теплий на дотик.

Печі, теплові насоси та котли

Як будівлі отримують тепло

У той час як кондиціювання повітря домінує в літній роботі, системи опалення тримають HVAC-технічних занятими протягом зими. Три основні технології опалення мають відмінні принципи роботи.

Газова піч — спалює природний газ або пропан у камері згоряння. Гарячі гази згоряння проходять через теплообмінник — набір металевих трубок або монолітну конструкцію. Внутрішнє повітря продмухується крізь зовнішню частину теплообмінника, поглинає тепло і розподіляється через повітропровід. Гази згоряння видаляються назовні через дымохід або трубу з ПВХ. Тріщина в теплообміннику — одна з найнебезпечніших несправностей у HVAC — вона дозволяє монооксиду вуглецю (CO) змішуватися з припливом внутрішнього повітря. Щорічний аналіз згоряння (перевірка рівнів CO, тиску газу, підвищення температури та тяги дымоходу) — це критична робота безпеки.

Тепловий насос — той же цикл охолодження, що й кондиціонер, але з клапаном-зворотом, який змінює напрямок потоку охолоджуючої рідини. У режимі охолодження він переміщує тепло з внутрішньої частини назовні, як звичайний кондиціонер. У режимі опалення клапан-зворот перекидає, і система переміщує тепло з зовнішнього повітря в будівлю. Зовнішній котушка стає випарювальним котушкою (поглинаючи тепло з зовнішнього повітря) і внутрішній котушка стає конденсаторним котушкою (відхідаючи тепло всередину). Теплові насоси можуть витягувати тепло з зовнішнього повітря навіть при низьких температурах, хоча їх ефективність падає зі зниженням температури. Більшість систем теплових насосів включають додаткові електричні полоси опору для надзвичайно холодних днів.

Котел — нагріває воду (гідронна система) або генерує пару і розподіляє її через трубопроводи радіаторам, плінтусам або трубам радіаційного опалення на підлозі. Котли спалюють газ, масло або використовують електричні елементи. Гідронні системи часто зустрічаються у старих будівлях та в комерційних додатках. Робота з котлами включає розуміння хімії води, клапанів скидання тиску, розширювальних резервуарів та насосів циркуляції.

Рейтинги ефективності — Печі оцінюються AFUE (річна утилізація паливної енергії). Піч з AFUE 96% перетворює 96% енергії палива на тепло. Теплові насоси оцінюються HSPF (коефіцієнт сезонної продуктивності опалення) для опалення та SEER (коефіцієнт сезонної енергетичної ефективності) для охолодження. Вищі числа означають вищу ефективність.

Тепловий насос проти печі

Домовласник у помірному кліматі (зими близько 30-40 градусів за Фаренгейтом) запитує вас, чи повинен він замінити свою стару газову піч на тепловий насос. Він хоче заощадити гроші на рахунках за енергію та зменшити свій вуглецевий слід.

Повітропроводи, потік повітря та фільтрація

Доставка повітря туди, де воно потрібне

Найкраща піч або кондиціонер у світі марний, якщо система розподілу повітря не може доставити кондиціоноване повітря в кожну кімнату. Конструкція повітропроводу та управління потоком повітря — це основні HVAC-навички.

Типи повітропроводів — листовий метал (жорсткі прямокутні або круглі), гнучкий повітропровід (гнучкі теплоізольовані трубки) та дошка для повітропровідного (жорсткі панелі з кварцового волокна). Листовий метал найбільш довговічний та ефективний. Гнучкий повітропровід дешевший і легший в установці, але його необхідно натягнути туго — перегини або стиснутий гнучкий повітропровід знищує потік повітря. Кожен тип має специфічні застосування на основі будівлі, бюджету та вимог кодексу.

Вимірювання потоку повітря — Обсяг повітря вимірюється в CFM (кубічні фути за хвилину). Кожна кімната вимагає певного CFM на основі її розміру, теплового навантаження та кількості людей. Типовий будинок площею 2000 квадратних футів може потребувати 800–1200 CFM в цілому. Технічні спеціалісти використовують анемометр або лист потоку для вимірювання CFM на кожному повітряному отворі.

Статичний тиск — опір потоку повітря в системі повітропроводу, виміряний у дюймах водяного стовпа (in. w.c.) за допомогою манометра. Думайте про це як про артеріальний тиск — надто високий означає, що щось обмежує потік (брудний фільтр, зруйнований повітропровід, невідповідний розмір повітропроводу). Надто низький означає витоки або слабкий вентилятор. Цільовий загальний зовнішній статичний тиск для більшості житлових систем становить 0,50 дюйма w.c. або менше. Високий статичний тиск змушує вентилятор працювати важче, марнує енергію, зменшує потік повітря та скорочує термін служби обладнання.

Фільтрація — повітряні фільтри видаляють пил, пилок та частинки з рециркульованого повітря. Фільтри оцінюються MERV (мінімальне значення ефективності звіту) від 1 до 20. Стандартні житлові фільтри — MERV 8–11. Лікувально-профілактичне — MERV 13–16. Вищий MERV означає краще фільтрацію, але також більший статичний тиск — фільтр, який занадто обмежуючий для системи, задушує потік повітря і може заморозити випарювальний котушку.

Повітря на повернення — більшість систем мають повітропроводи припливу (доставляючи кондиціоноване повітря) та повітропроводи повернення (витягуючи повітря назад до агрегату для переумовлення). Неадекватне повітря повернення — одна з найпоширеніших проблем житлових повітропроводів — вона створює дисбаланс тиску, робить двері хлопаючими та змушує систему працювати проти себе.

Діагностика проблем з потоком повітря

Домовласник скаржиться, що його спальні на верхньому поверсі завжди занадто теплі влітку, а нижній поверх залишається комфортним. Система — це одна зона перемикання з одним термостатом розташованим у нижній частині. Повітропровід проходить через гарячий горище до верхніх отворів. Ви вимірюєте статичний тиск і виявляєте, що він становить 0,85 дюйма w.c. — значно вище цільового 0,50.

Як почати роботу в професії

HVAC-кар'єри та сертифікація

HVAC — це один з найбільш затребуваних кваліфікованих видів роботи в країні. Бюро статистики праці прогнозує швидший темп зростання, ніж середній, і досвідчені технічні спеціалісти мають дефіцит. Робота не може бути аутсорсована — будівлям потрібні місцеві технічні спеціалісти, які можуть прибути та виправити систему.

EPA Section 608 Certification — вимагається федеральним законом для придбання або обробки охолоджуючих рідин. Є чотири типи: Type I (малі приладдя), Type II (системи високого тиску, як житлове кондиціювання), Type III (системи низького тиску, як великі чилери), та Universal (всі типи). Більшість HVAC-технічних спеціалістів отримують сертифікацію Universal на початку свого навчання. Тест охоплює обробку охолоджуючих рідин, їхнє видалення, переробку та екологічні постанови.

NATE Certification — North American Technician Excellence, провідна сертифікація промисловості. NATE-тести охоплюють специфічні типи систем (кондиціювання повітря, теплові насоси, газові печі тощо) та перевіряють реальні діагностичні навички. Багато роботодавців віддають перевагу або вимагають NATE-сертифіковані технічні спеціалісти.

Професійна школа проти навчання — Програми професійної школи (від 6 місяців до 2 років) навчають основи в класі та лабораторії. Професійне навчання (як правило, 4–5 років) поєднує кабінетну освіту з оплачуваним навчанням на робочому місці під опікою майстра. Обидва шляхи ведуть до кар'єри, але навчання платить вам, поки ви вчитеся, і дає вам тисячі годин керованого досвіду на місцях.

Житлові проти комерційних — Житлові технічні спеціалісти працюють з будинками — розділені системи, печі, повітропроводи. Комерційні технічні спеціалісти працюють з більшим обладнанням — дахові установки, чилери, градирні, системи автоматизації будівель та системи змінного об'єму повітря (VAV). Комерційна робота складніша і зазвичай краще платить.

Спеціалізація — Охолодження (супермаркети, холодні склади, громадське харчування), управління та автоматизація будівель (DDC-системи, BACnet, програмовані контролери), якість повітря в приміщеннях, енергоаудит та конструювання систем. HVAC-технічні спеціалісти, які вивчають управління та автоматизацію, особливо затребувані, оскільки будівлі стають розумнішими.

Заробітна плата — молоді HVAC-технічні спеціалісти зазвичай починають зі 35 000–45 000 доларів. Досвідчені житлові технічні спеціалісти заробляють 50 000–75 000 доларів. Комерційні та промислові технічні спеціалісти з сертифікатами та спеціалізацією можуть заробляти 75 000–100 000 доларів або більше. Власники бізнесу та підрядники не мають стелі.

Планування вашого шляху

Підключіть HVAC до вашого майбутнього

Ви тепер знаєте термодинаміку опалення та охолодження, цикл охолодження, як печі та теплові насоси генерують тепло, та як повітропроводи доставляють кондиціоноване повітря в будівлю.