Инверторната технология в климатиците

Същност на технологията, устройство на климатиците, предимства

Има шумно появяващи се нововъведения, на които се възлагат големи надежди и които бързо биват забравени. Други остават в началото незабележими за обикновения потребител, но с течение на времето трайно навлизат в живота поради безспорните си предимства. Точно такъв е случаят с инверторната технология в климатиците. Тя осигурява по-евтино и по-комфортно поддържане на температурата в помещението, независимо дали климатикът е в режим на охлаждане или затопляне. Първият инверторен климатик е пуснат на пазара през 1981 г. от Toshiba и след четвърт век усъвършенствания от много производители, днес тази технология се използва в жилищни, административни и производствени помещения. В статията се изяснява принципът на технологията и действието на основните блокове на използващите я климатици.

Същност на технологията

Предназначението на всеки климатик е да поддържа зададена температура, независимо от условията в помещението или промените на външната температура. Принципът на действие на инверторните климатици наподобява поддържането на равномерна скорост на движението на автомобил чрез леко натискане или отпускане на педала за газта. То осигурява подходящи обороти на двигателя, които пък зависят от условията на пътя, например трябва да се увеличат при изкачване и намалят при слизане. При равен път те се поддържат неизменни. По същия начин инверторният климатик увеличава или намалява оборотите на своя компресор при промяна на температурата, т.е. автоматично действа по същия начин, както шофьорът с педала за газта. И тъй като никое помещение не е херметически затворено, компенсация на промените на температурата се налагат непрекъснато. Реално температурата в помещението непрекъснато се променя около зададената (фиг. 1), като тези промени при използване на инверторните климатици са плавни и обикновено не надхвърлят 0,5°С.

Аналогията с движещ се автомобил може да бъде продължена и за обикновените климатици, които само включват и изключват своя компресор, без да променят оборотите му. Това означава да се опитваме да поддържаме скоростта чрез включване и изключване на двигателя при непрекъснато натиснат “до дупка” педал за газта. Очевидно в този случай ще има значителни промени на скоростта около желаната (автомобилът ту ускорява, ту забавя движението си). Същото става и с температурата в помещението, поддържана от обикновен климатик, чиито промени около зададената са значително по-големи (фиг. 2). Независимо от това тези климатици продължават да се използват поради по-простото си устройство и съответно по-ниска цена.

Устройство на инверторните

климатици

Те съдържат вътрешно тяло (1 на фиг. 3) с вентилатор 5, който осигурява движението на въздуха около спираловидно навита тръба и го изтласква навън. По тръбата тече охладителна течност, която по свързващата тръба 2 преминава през стената на сградата и постъпва във външното тяло 3. Неговият компресор увеличава налягането й и според съответния закон от физиката - и нейната температура. Последната се оказва по-висока от външната, което означава отделяне на топлина в околното пространство. За по-ефективно отделяне във външното тяло също има вентилатор. Течността с така намалената температура по тръбата 4 се връща във вътрешното тяло, където налягането на газа и съответно температурата му намаляват. Именно тази студена течност обуславя охладения въздух от вентилатора в помещението. Резултатът от това действие на климатика е преместване на част от топлината в помещението навън и съответно охлаждането му. Колкото по-големи са оборотите на компресора, толкова по-бързо се движи течността и охлажда по-добре, т.е. поддържа по-голяма разлика между температурата в помещението и външната.

Аналогичен е другият режим на работа - преместване на топлина отвън към помещението, т.е. действие на климатика като нагревател. Това е едно от големите предимства на инверторните климатици спрямо електрическите и всякакви други нагреватели (печки, радиатори) - те не изразходват енергия (електрическа, изгаряне на въглища, дърва или нафта), за да я превръщат в топлина, а само за осигуряване на работата на компресора и вентилаторите.

Най-важната разлика между обикновените и инверторните климатици е сложният управляващ електронен блок в последните. Той е разположен във външното тяло и идея за структурата му е дадена на фиг. 4. Мрежовото напрежение чрез блока Т се преобразува в постоянно, тъй като електродвигателят на компресора е постояннотоков. Неговите обороти се променят чрез инвертора И, който заедно с вида на електродвигателя определя наименованието DC инверторни климатици или само DC инвертори. Самото управление се осъществява от блока У1 по проводника б. За да се постигне максимално ефективна работа на климатика, т.е. той да има минимална консумация на електроенергия, електродвигателят М се управлява по два различни начина. При значителна разлика (обикновено над 3-4°С) между съществуващата температура в помещението и зададената (която трябва да бъде достигната), блокът И подава на електродвигателя правоъгълни импулси, чрез чиято амплитуда се променят оборотите му. Това е така наречената амплитудноимпулсна модулация, а този режим на работа е известен като РАМ. Най-често той се използва при първоначалното включване на климатика и позволява бързо изменение на температурата в помещението. Когато тя приближи до зададената (това блокът У1 “разбира” от сигналите, идващи към него по проводника в) климатикът, за да запази ефективността си, автоматично сменя вида на импулсите - тяхната амплитуда вече е постоянна, а регулирането на оборотите се осъществява чрез промяна на продължителността им. Това се нарича широчинноимпулсна модулация, а режимът на работа е PWM. Работата в него се характеризира с малки обороти на компресора, което има допълнителното предимство на по-малък шум от външното тяло на климатика.

На пръв поглед в това обяснение има известна неяснота - електродвигателят е постояннотоков, а за да работи, му се подава не постоянно напрежение, а правоъгълни импулси. Обяснението е във факта, че когато импулсите са еднополярни (обуславят протичане на ток от блока И към М само в една посока) и с честота над няколко стотици херца, електродвигателят работи, все едно че се захранва с постоянно напрежение. Същевременно промяната на амплитудата или продължителността на импулсите е еквивалентна на изменение на напрежението, а оттам - и на оборотите. Този начин на управление (вместо промяна на постоянно напрежение) позволява значително по-проста и надеждна реализация на целия електронен блок.

За осигуряване на описаното действие блокът И съдържа две части, по една за всеки вид импулси. Оттук е наименованието хибридни инверторни климатици или хибридни инвертори. В сравнение с обикновените DC инвертори, които работят само с един вид модулация на импулсите, консумацията на електроенергия е по-малка, а установяването на зададената температура става по-бързо.я

Прецизната работа на блока И се гарантира от различни видове сензори във външното тяло, означени на фиг. 4 като блок С1. Техният вид зависи от модела на климатика, но най-често измерват външната температура и количеството топлина, обменяна между двете тела. Тъй като блокът И е електронен, за работата му са необходими постоянни напрежения, които се осигуряват от блок Т по проводници, означени с а на фиг. 4. Блокът У1 работи с цифрови сигнали (подобно на компютрите), поради което се използва и наименованието дигитален инвертор (вместо правилното цифров инвертор).

Действието на климатика зависи и от вътрешното му тяло и дистанционното управление. Управляващият блок У2 на това тяло има двупосочна връзка с У1 на външното тяло, като същевременно получава сигнали от сензорите С2, например за температурата в помещението. Управлението на работата на климатика, като задаване на режима на работа (отопление или охлаждане), желаната температура в помещението, скоростта на вентилатора В във вътрешното тяло и други се осъществява чрез дистанционното управление. То получава необходимите данни от клавиатурата К, показва ги на дисплея Д и ги изпраща чрез инфрачервен лъч ИЧ към блока У2 на вътрешното тяло. В крайна сметка на основата на зададената, вътрешната и външната температура, блокът И непрекъснато изчислява и съответно установява най-добрия режим на работа на компресора.

Според някои фирми-производители хибридните инвертори консумират с около 40% по-малко електроенергия от обикновените, докато в част от най-новите модели този процент вече е 50 (два пъти по-малка консумация).

Последната новост са супердигиталните инвертори, в които чрез усложняване на блока У1 е осигурена възможност за още по-прецизно регулиране на оборотите на компресора. Това позволява поддържане на температурата в помещението чрез още по-малки негови обороти и съответно допълнително намален разход на електроенергия. Същевременно въртенето е равномерно дори при най-малките обороти, което означава и по-нататъшно намаляване на шума външното тяло на климатика.

На пазара продължават да се предлагат АС инверторни климатици, които имат подобно действие. Основната разлика е използването на променливотоков електродвигател в компресора, което налага различно управление от блока И. Той обаче е по-прост. При равни параметри с хибридните климатици те изменят температурата в помещението малко по-бавно и консумират с 15-20% повече електроенергия.

Компресорът

На специалистите е добре известно, че стабилната работа на всеки компресор се гарантира при обороти на неговия двигател в определени граници. Извън тях въртенето става неравномерно и възникват вибрации. В хибридните инверторни климатици е особено важно получаването на много ниски обороти, тъй като именно те позволяват използването на възможностите, предлагани от управлението. Освен това е известно, че един от начините за увеличаване на коефициента на полезно действие (получаване дадена механична мощност чрез по-малка електрическа) на постояннотоковите електродвигатели е чрез използването на по-силен магнит. Тези два фактора са взети предвид при създаването на електродвигател специално за хибридни инверторни климатици. Компресор с такъв електродвигател има с около 10% по-голям коефициент на полезно действие в сравнение с използването на променливотоков двигател.

Структурата на компресора на хибриден инверторен климатик е дадена на фиг. 5, като електродвигателят е разположен в горната му половина. В долната част се виждат двата ексцентрика, които позволяват получаването на стабилно въртене при много малки обороти. При много малки обороти температурата в помещението се поддържа чрез подаване или отнемане на малко топлина, което е основният фактор за малка консумация на електроенергия от климатика. Вдясно от противотежестите на фиг. 5 са тръбите за охладителната течност с видоизменена конструкция за подобряване на компресията.

Допълнителни подобрения

Ефективното отделяне на топлината от външното тяло в околното пространство има важно значение за намаляване на консумираната електроенергия. Затова вентилаторът в тялото на най-новите модели е с високоефективен постояннотоков електродвигател и перки със специално разработена форма.

Обменът на топлина между двете тела става чрез хладилен агент. От него зависи и обменът на топлина на всяко от телата с обкръжаващата го среда. Поради това видът на агента има значение за по-лесното и с по-малки загуби пренасяне на топлината и за по-лесното й отделяне. Същевременно агентът трябва да е екологично чист, т.е. неизбежното изпаряване на част от него не трябва да замърсява атмосферата и да разрушава озоновия слой. Пример за такъв съвременен охладителен агент е R410A, който пренася с около 50% повече топлина от масово използвания досега в климатиците R22.

Насочването на въздушния поток от вътрешното тяло към помещението също има значение за бързото достигане на една и съща температура навсякъде и за поддържането й. Например, при охлаждане въздушният поток трябва да е насочен хоризонтално и да не среща по пътя си никакви прегради, които да го отклоняват надолу. При затопляне е по-добре въздушният поток да се насочи надолу. В повечето инверторни климатици насочването се прави автоматично в зависимост от избрания режим на работа.

Движението на въздуха между лентичките на жалузите пред вентилатора на вътрешното тяло, както и на самите лентички, е източник на шум. Затова в някои от новите модели се използват лентички със специална форма.