Наука | История техники

Механизмы теплового комфорта
Андрей Судьбин

Сегодня все жители больших городов делятся на две категории: на тех, у кого в квартирах стоят кондиционеры, и тех, у кого их пока нет, но они очень хотели бы их установить. Представители этой второй категории, конечно же, могут утешать себя фразами вроде «да сколько его у нас, этого лета» или «чай, не в тропиках живем», но... летняя жара может превратить пребывание дома в мучение не только в Астрахани или Краснодаре. Жарко бывает и в Архангельске, и в Магадане, не говоря уж о Москве, Санкт-Петербурге или Красноярске. Да и зачем мучиться, если современные технологии позволяют решить вопрос «погоды в доме» окончательно и бесповоротно? Ну а как это сделать, мы будем разбираться вместе с Mitsubishi Electric, одним из мировых лидеров этого сегмента.

На самом деле борьба за комфортную температуру в жилищах насчитывает не одну тысячу лет и неразрывно связана с развитием цивилизации. Люди всегда хотели спокойно спать, не обливаясь потом от невыносимой жары и не стуча зубами от холода. Но временно оставим в покое вопросы обогрева и сосредоточимся на охлаждении воздуха в жилищах, ведь так уж получилось, что главные центры развития цивилизаций сосредоточились в регионах с жарким климатом.

Рецепты борьбы с жарой знали, например, древние египтяне: если разместить у оконных проемов большие, наполненные водой кувшины с пористыми стенками, а у каждого кувшина поставить по паре рабов с опахалами, то в помещении распространится приятная прохлада. Знали толк в создании комфортного микроклимата в помещении и в древней Персии. Народ попроще натягивал тенты, накрывая их мокрым войлоком, а дворцы и дома людей побогаче оснащались так называемыми бадгирами. Бадгиры (в Египте их называют «малькаф», а в Аравии – «барджиль») представляют собой башни, возвышающиеся над плоскими крышами и пронизывающие здания до нижних уровней. В башнях были проложены каналы, разделенные параллельными стенками, и имелись емкости с водой. Горячий ветер попадал в верхние отверстия, проходил мимо емкостей или каналов с водой и отдавал свое тепло на ее испарение. Уже охлажденный воздух опускался вниз и вытеснял горячий воздух из здания.

По такому же принципу были устроены «установки искусственного климата» в древнеиндийском городе Мохенджо-Даро: улавливающие ветер продухи (вентиляционные проемы) на плоских крышах, откуда воздух сначала поступал в низкие чердаки с установленными там плоскими чанами с водой и лишь оттуда – в жилые помещения. Ну а индусы победней ставили вместо дверей рамы, обвитые индийской кокосовой пальмой «тати», известной своими капиллярными свойствами. В верхней части такой двери они ставили емкость, которая медленно заполнялась водой, поднимающейся по капиллярам «тати». Заполненная посудина опрокидывалась, орошала дверь, и цикл повторялся. Такая система получила название banadoori и использовалась в течение многих веков.

Дома в Мохенджо-Даро

В любом случае общий принцип всех систем такого рода оставался одним и тем же: горячий воздух охлаждается, отдавая тепло на испарение воды. Собственно говоря, этот принцип порой используется и современными архитекторами, а основанные на нем системы получили название PDEC (passive downdraught evaporative cooling), то есть «пассивное испарительное охлаждение с естественной тягой воздуха».

И все же к коренному решению вопроса о создании в помещениях микроклимата с заданными параметрами человечество подошло только на рубеже XIX и XX веков, в период расцвета промышленно-технической революции. Именно плоды этой революции, вырвавшись в мир, начали радикально изменять качество повседневной жизни людей. Автомобили, аэропланы, телефон, электрическое освещение, радио, кинематограф... Список этих чудес науки и техники можно продолжать бесконечно.

И вот в 1901 году инженер технологической компании Buffalo Forge Виллис Хэвилэнд Кэрриер стоял на перроне, ожидая своего поезда. Погода была промозглая и холодная, и платформу окутал густой туман. Кэрриер же как раз обдумывал ситуацию с заказом на разработку системы вентиляции, который его компания получила от книгоиздательской компании Sackett & Wuhelms: высокая температура и влажность в производственных помещениях очень мешали внедрению цветной печати. Но мозг настоящего инженера и работает по-инженерному, так что Кэрриер решил: а почему бы не попытаться влиять на насыщение воздуха влагой за счет изменения температуры воды, разбрызгиваемой в поток воздуха? Разработанный им аппарат и стал первым промышленным кондиционером, смонтированным и запущенным в работу 17 июля 1902 года.

Кэрриер

Кэрриер не остановился на достигнутом. Он продолжил исследования, оформил множество патентов и создал в 1915 году компанию Carrier Engineering Corporation. Компания существует и сегодня. Она считается одним из мировых лидеров в разработке больших систем центрального кондиционирования.

Однако время шло, техника совершенствовалась, зданий с системами кондиционирования, которые прекрасно справлялись с задачей создания оптимального микроклимата, становилось все больше. Но у таких больших систем есть один такой же большой недостаток: их желательно встраивать в конструкцию здания еще на этапе проектирования, а вот установка таких кондиционеров в уже существующие строения может быть связана с изрядными трудностями, а порой и попросту невозможна. Но владельцы апартаментов в уже построенных домах, равно как и обитатели «одноэтажной Америки», тоже хотели получить свою порцию комфорта!

Для того, чтобы гигантские агрегаты превратились в относительно компактный бытовой прибор, должно было сойтись несколько факторов. Во-первых, должны были созреть технологии производства компактных и эффективных компрессоров. Во-вторых, вода не самым лучшим образом подходила на роль теплоносителя: нужны были другие жидкости, испаряющиеся при более низких температурах и конденсирующиеся при более высоких. Поначалу в роли такого теплоносителя-хладагента использовали аммиак: еще в начале XIX века великий Майкл Фарадей, экспериментируя с аммиаком, убедился, что это вещество, испаряясь, активно поглощает тепло, так что в принципе оно отлично подходит для решения возложенных на него задач. Кроме того, его синтез относительно несложен, так что стоит аммиак не слишком дорого. По этим причинам аммиак до сих пор используют в промышленных установках. Одна беда: аммиак ядовит и токсичен! Так что первые бытовые системы кондиционирования состояли из двух блоков – внешнего, вынесенного на всякий случай на улицу, в котором размещались компрессор и конденсатор, и внутреннего, в котором, собственно, и охлаждался воздух. Но в 1930 году инженер-химик компании DuPont Томас Мидглей разработал технологию промышленного производства дифтормонохлорметана, получившего торговое название «фреон-12». Именно появление этого нетоксичного хладагента позволило компании Kelvinator разработать в 1930 году первый автомобильный кондиционер, и сразу двум крупным компаниям, General Electric и Carrier, выпустить бытовые кондиционеры в форм-факторе моноблока, предназначенные для монтажа в оконных проемах.

Kelvinator

Эти комнатные кондиционеры сразу завоевали огромную популярность: например, в том же 1930 году Bank of Los Angeles закупил 490 моноблочных оконных кондиционеров Carrier Weathermaster для установки в своей 15-этажной штаб-квартире, а климат в здании Верховного Суда США улучшили 180 таких же агрегатов.

У моноблочных устройств много преимуществ, и с точки зрения производства (все элементы кондиционера монтируются в одном корпусе и на общем шасси) такими устройствами легче управлять, и (что еще важнее) их проще монтировать. Недаром они до сих пор популярны в странах третьего мира, ведь для того, чтобы врезать ящик кондиционера в оконный проем и подключить его к сети, не нужно особой квалификации. Выпуск кондиционеров такого типа был освоен и в СССР на заводе в Баку: БК-1500, БК-2000 и БК-2500 исправно жужжали в окнах множества официальных зданий и вычислительных центров, а вот для рядового гражданина страны они все же стоили слишком дорого...

Но есть у таких устройств и недостатки. Во-первых, вставленная в оконный проем массивная коробка перекрывает свет. Но с этим в принципе можно как-то смириться – все-таки, как правило, закрытым оказывается не все окно. Хуже другое...

Взгляните на схему принципиального устройства кондиционера. Его главными элементами являются два змеевика (испаритель и конденсатор), два вентилятора и компрессор. Итак, внутренний вентилятор прогоняет воздух через змеевик, в котором испаряется хладагент. При испарении хладагент забирает тепло у воздуха, который возвращается в помещение уже охлажденным, а пары хладагента поступают во внешний контур. Там в работу включается компрессор, который сжимает эти пары перед тем, как они попадут в змеевик-конденсатор. Там хладагент вновь переходит в жидкую фазу, отдавая при этом избыточное тепло «забортному» воздуху, который прогоняет через змеевик-конденсатор внешний вентилятор. Собственно, всё... Ах да, есть еще дроссель-регулятор, управляющий давлением в магистрали, и термопара, которая контролирует температуру, периодически включая и выключая компрессор. И вот тут-то собака и зарыта...

Все помнят, какие звуки издавали работающие холодильники того периода (принципиальное устройство которых, по сути, ничем не отличается)? Но что холодильник... Холодильник, как правило, стоит на кухне, и с его шумом можно смириться. А вот кондиционер может стоять и в спальне, а это уже совсем другое дело! Только ты заснул, а компрессор в окне – тырдым-тырдым-тырдым... Еще и вентилятор загудел. Какой уж тут сон...

Решение этой проблемы нашлось уже в начале 60-х годов прошлого века. Нужно сказать, что к этому моменту США уже уступили место всемирного лидера по производству бытовых кондиционеров Японии: компании из Страны восходящего солнца сначала потеснили американцев за счет существенно более низкой цены, а затем – и за счет внедрения новых технологий. Эпохальная смена поколений произошла в 1961 году, когда японские инженеры решили, так сказать, вернуться к истокам (напоминаю, что самый первый комнатный бытовой кондиционер Frigidaire, работавший еще на аммиаке, состоял из двух модулей, причем конденсирующий модуль с компрессором был вынесен за наружную стену здания) и предложили концепцию, получившую название «сплит-система».

Итак, берем конденсатор, компрессор и вентилятор и оформляем их как отдельный блок. Его мы монтируем на наружной стене здания: там он может шуметь сколько угодно – все равно никому не помешает! Внутри помещения монтируем второй блок, с испарителем и опять же вентилятором. Соединяем эти блоки магистралями (для этого достаточно пробить в стене небольшое отверстие) и помещаем внутренний блок там, где это кажется наиболее удобным: над дверью, на противоположной от окна стене... Нет места на стене? Пожалуйста, к вашим услугам – напольные варианты внутренних блоков. У вас очень большая гостиная или вам нужно поддерживать микроклимат в зале для совещаний? Тогда лучше разместить модуль в центре комнаты, тем более что его можно практически полностью спрятать за подвесным потолком. Понятно, что эта концепция начала победное шествие по миру, тем более что в Японии к выпуску таких приборов подключились и другие компании, в частности, один из лидеров рынка домашних кондиционеров Mitsubishi Electric, выпустивший свою первую сплит-систему с настенным внутренним блоком в 1968 году уже в том виде, в котором мы привыкли видеть все современные настенные сплит-системы, задав таким образом тренд для всего рынка. На примере продукции этой марки мы и попробуем рассмотреть современные тенденции технического развития бытовых кондиционеров.

Сплит-системы позволили в десятки раз уменьшить уровень шума в кондиционируемых помещениях, кроме того, они давали простор для внедрения целого ряда новых технологий. Например, такой подход открыл путь к мультисистемам, в которых к одному наружному блоку подключено несколько внутренних. Такие системы отлично подходят для загородных домов или многокомнатных квартир, то есть для ситуаций, когда нужно одновременно охлаждать несколько помещений, но владельцу не хочется портить внешний вид фасада несколькими наружными блоками или нормативы предусматривают установку лишь одной «корзины» на квартиру.

Вершиной развития этого направления стали большие мультисистемы, основанные на технологии VRF (variable refrigerant flow), то есть «переменный поток хладагента». В таких системах поток хладагента между единым внешним и множеством внутренних модулей регулируется при помощи специальных вентелей, а избыточное тепло, отбираемое у воздуха в охлаждаемых зонах, рекуперируется и может быть использовано для обогрева других. И здесь компания Mitsubishi Electric сказала свое веское слово, запатентовав в 1990 году в Японии свою первую и единственную на тот момент в мире двухтрубную систему R2 City Multi. В большинстве аналогичных систем внешний блок связывает с каждым из внутренних по три магистрали, а в системах серии R2 – только две. Это делает систему более гибкой, упрощает монтаж и более чем вдвое сокращает количество паяных соединений. Ну а в 2015-м компания выпустила гибридную систему семейства City Multi, в которой между наружным блоком и специальным контроллером циркулирует хладагент, а между контроллером и внутренними блоками – обычная вода. Такие системы максимально безопасны, и их можно устанавливать даже в сейсмоопасных районах. Вообще, большие системы центрального кондиционирования заслуживают отдельного рассказа, а мы же вернемся к разговору о бытовых кондиционерах.

По мере развития технологий комнатные кондиционеры принимали на себя все новые и новые функции, как ежик, катящийся по ковру из осенних листьев. Кондиционеры XX века по сути не умели ничего, кроме как охлаждать воздух в помещениях, да и нынешние бюджетные модели ушли от них не так уж далеко. Но корпорации, претендующие на лидерство в этом сегменте рынка, просто не могут позволить себе выпускать нечто незатейливое по своим возможностям. «Невместно это», если говорили на Руси во времена боярского местничества, или «као во цубусу», «так можно потерять лицо», как говорят в Японии. Вот и современная продукция Mitsubishi Electric – это не просто холодильники для воздуха.

Во-первых, забота о комфорте потребителя подразумевает прежде всего поддержание в помещениях комфортной температуры. Но это не означает, что кондиционеры могут только охлаждать прогоняемый через них воздух. Современные приборы умеют его и обогревать, а значит, и в межсезонье, и в холодный период года прибор не будет представлять собой просто висящее на стене или стоящее на полу архитектурное излишество. Даже базовые по своим функциям модели, такие как MSZ-HR (Classic Inverter) и MSZ-AP (Standard Inverter), работают не только на охлаждение, но и на обогрев.

Во многом это определяется и инверторным управлением, ставшим частью названия многих моделей. Сплит-системы с традиционным управлением поддерживают заданную температуру в помещении, периодически включая и выключая компрессор: температура стала выше – компрессор заработал, понизилась слишком сильно – выключился. В результате температура в помещении колеблется относительно целевого значения в широких пределах и люди в помещении ощущают, что им то жарко, то холодно. Такую работу кондиционера нельзя назвать слишком эффективной. По своей сути это напоминает попытку проехать на автомобиле по городу со светофорами и пробками, поддерживая при этом определенную среднюю скорость. То едешь слишком быстро, то слишком медленно... Ну а врачи уверяют, что постоянные колебания температуры окружающей среды могут стать причиной ослабления иммунитета и способствовать возникновению простуды. В инверторных кондиционерах компрессор работает практически постоянно, в оптимальном режиме, а все необходимые изменения производительности достигаются за счет изменения частоты вращения двигателя. Согласитесь, заданную скорость проще соблюдать на свободном загородном шоссе... Кстати, Mitsubishi Electric предложили свою первую систему с инверторным управлением еще в 1984 году, и с тех пор она стала практически основной, как наиболее подходящая продукции премиального уровня.

Такому управлению как нельзя лучше соответствуют бесколлекторные синхронные электродвигатели, оснащенные роторами с внутренним неодимовым постоянным магнитом. Они существенно экономичней и тише традиционных электромоторов. Бесколлекторные двигатели использованы и для привода вентиляторов. Инженеры Mitsubishi Electric заслуженно гордятся тем, что им удалось создать действительно тихие настенные сплит-системы. Так, для модели MSZ-FH Deluxe Inverter уровень шума составляет не более 20 дБ(А), а для ряда моделей, в том числе MSZ-EF Design Inverter, – и вовсе лишь 19 дБ(А). Напомню, что шкала уровня шума в дБ(А) — нелинейная, логарифмическая, и разница в 10 дБ(А) означает разницу в 10 раз. Соответственно, уровень шума в 19 дБ(А) соответствует еле слышному шепоту, практически неразличимому человеческим ухом, шум в 28-30 дБ(А), характерный для бюджетных сплит-систем, является предельно допустимым и явно некомфортным для спальни в ночное время, а уж моноблоки и вовсе гудят на 38-40 дБ(А). При этом очень важно, что инженеры Mitsubishi Electric добились снижения уровня шума не за счет уменьшения скорости вращения вентилятора внутреннего блока, а значит, и не за счет уменьшения объема проходящего через кондиционер воздуха.

При этом сплит-системы Mitsubishi Electric еще и потрясающе эффективны, и эта эффективность определяется еще и тем, что ряд моделей оснащен интеллектуальной системой 3D I-See Sensor. Датчики системы фиксируют излучение в инфракрасном диапазоне и дистанционно измеряют температуру в различных точках помещения, создавая трехмерную модель распределения температур. Далее включается механизм управления вертикальными и горизонтальными жалюзи, который направляет поток прохладного или теплого воздуха именно в те области, которые нужно охладить или подогреть. Мало того, процессор обрабатывает полученные данные и определяет, есть человек в комнате или нет. Если людей нет, то кондиционер автоматически переключается в энергосберегающий режим. Если есть, то датчики отслеживают его положение, а далее, как говорится, «возможны варианты», которые изначально задаются пользователем. Например, в жарких странах любят настроить этот режим таким образом, чтобы поток воздуха постоянно был направлен на человека, чтобы максимально быстро довести условия до комфортных. Ну а в наших условиях пользователи предпочитают режим, при котором поток прохладного воздуха отводится в сторону, чтобы человек не простыл. Такими способностями обладают настенные блоки флагманских серий Premium Inverter и Delux Inverter (MSZ-LN и MSZ-FH).

Воздух в наших домах никогда не бывает идеально чистым: пыльца растений, продукты горения, постоянно отшелушивающиеся частицы нашей кожи, пылевые частицы, которые мы приносим с улицы и которые производят волокна нашей одежды, вирусы и бактерии... Да мало ли что. Собственно, даже первые кондиционеры имели встроенные фильтры, которые необходимо было периодически чистить. Увы, скопившаяся на фильтре пыль имеет обыкновение набирать влагу и превращаться в питательный бульон для грибков и бактерий, даже если этот фильтр изготовлен из современных материалов, ну а наличие всей этой живности никак нельзя отнести к полезным для здоровья факторам. Но современные технологии вполне могут предложить решение, способное резко уменьшить вероятность превращения кондиционера в рассадник микроорганизмов. Во-первых, для этого служит технология Dual Barrier Coating, которая предотвращает оседание пыли и других загрязнений на внутренних поверхностях кондиционера. Важную задачу решают бактерицидные фильтры, обогащенные ионами серебра. Частицы серебра, встроенные в самую основу фильтрующего элемента, закрепляются на поверхности бактериальной клетки и нарушают некоторые ее функции, например, деление, обеспечивая бактериостатический эффект, то есть блокируют размножение бактерий, а проникнув через клеточную мембрану патогенной бактериальной клетки, ионы серебра нарушают ее метаболизм, и в результате клетка гибнет. Так, например, работают встроенные бактерицидные фильтры кондиционеров серии Design Inverter (MSZ-EF).

Инженеры Mitsubishi Electric пошли еще дальше, создав эффективный барьер против всех присутствующих в воздухе загрязнений. Эти технологии получили название Plasma Quad, Plasma Quad Plus и Plasma Quad Connect. Работает эта система так: загрязненный воздух поступает в первую ступень блока очистки, где формируется облако плазмы, то есть ионизированного газа. Плазма разрушает биологические объекты, то есть плесневые грибки и бактерии, деактивирует аллергены и нейтрализует вирусы, в том числе коронавирус Covid-19*. Согласитесь, что в сегодняшней ситуации это не просто важно, а очень важно! И это не голословные заявления: в январе текущего 2021 года Японский центр качества и технологий провел по заказу Mitsubishi Electric серию тестов, четко подтвердивших, что плазменный заслон разрушает вирусную РНК, а значит, лишает вирус болезнетворности. При этом твердые частицы (включая микрочастицы PM2.5, имеющие размеры менее 2,5 мкм и способные проникать через обычные фильтры, в том числе – вирусные) получают положительный электрический заряд. Далее воздух поступает в зону второй ступени, где расположены электроды, формирующие мощное электростатическое поле. В итоге все загрязнители оседают на электродах с отрицательным зарядом, а в помещение поступает чистый воздух. Такую защиту предлагают владельцам флагманские модели настенных кондиционеров Premium Inverter и Deluxe Inverter, изначально оснащенные системой Plasma Quad. Но ивладельцы других моделей вполне могут улучшить защитные свойства своих сплит-систем, приобретая фильтрующий блок Plasma Quad Connect в качестве опции.

Наконец, мы живем в такое время, когда окружающие нас вещи становятся все умнее. Бытовые кондиционеры Mitsubishi Electric имеют развитую систему управления и программирования работы: вы можете задействовать 24-часовой недельный таймер, который позволяет в течение семи дней задать для каждого дня недели до четырех включений и выключений, а также изменений целевой температуры. Можно использовать режим I Save, который одним нажатием кнопки переводит систему в режим пониженного электропотребления. Например, вы предпочитаете спать в прохладном помещении, и все, что вам нужно сделать, это нажать на пульте кнопку I Save, и кондиционер будет поддерживать температуру воздуха на уровне +18 °С. Проснувшись утром, вы нажмете на ту же кнопку еще раз, и система вернется к настройке на +22 °С.

Эта же функция может быть также использована для организации экономичного дежурного отопления помещения, например, загородного коттеджа: пока в доме никого нет, дежурная температура будет держаться на уровне +10 °С. Но еще удобнее использовать эту функцию в сочетании с модулем управления через Wi-Fi. Многие модели оснащены такими модулями изначально, но даже если его нет, то модуль всегда можно приобрести в качестве опции. В этом случае ваш смартфон превращается в пульт беспроводного управления, причем удаленные команды подаются через облачный сервер MELCloud. Например, во время вашего отсутствия загородный дом стоял в дежурном режиме. Перед выездом вы заходите в меню установленного на смартфоне приложения, и дом встречает вас температурой климатического комфорта.

Ну и последнее. Внутренние блоки настенных кондиционеров Mitsubishi Electric давно уже перестали быть просто утилитарными техническими устройствами. Над их внешним видом работали одни из лучших дизайнеров, и их стильная внешность способна не просто вписаться в любой интерьер, но и украсить его, причем это может быть интерьер в стиле техно, баухаус или французского классицизма.

Источник