מיזוג אוויר

מיזוג אוויר היא מערכת שנועדה לשפר את הנוחות האקלימית של אלו המאכלסים חלל כלשהו, או את תנאי העבודה של ציוד. כל מערכת אוורור, חימום וקירור המשמשת למטרה זו יכולה להיות מוגדרת כמערכת מיזוג אוויר או כמערכת בקרת אקלים. הקירור מבוצע על ידי משאבת חום או על ידי התאיידות של מים. החימום מבוצע גם הוא על ידי משאבת חום או על ידי הסקה.

היסטוריה

המדען והממציא הבריטי מייקל פאראדיי גילה כי דחיסה והפיכה לנוזל של גז מסוים יכולה לצנן את האוויר כאשר מאפשרים לאמוניה נוזלית להתאדות. הראשון ליישם רעיון זה היה ג'ון גורי, רופא מאפלצ׳יקולה שבמדינת פלורידה בארצות הברית שבשנת 1842 יצר מכונה שהשיבה רוח על פני דלי של קרח, כדי לצנן חדרי חולים בהם שכבו חולי מלריה וקדחת צהובה. גורי רשם פטנט על ההמצאה, אך אחרי מותו של המממן העיקרי שלו בשנת 1851 לא הצליח גורי למצוא מממן מתאים להמשך פיתוח ההמצאה, שסבלה מדליפות ומפעולה לא אחידה. גורי האשים בכישלונו את פרדריק טיודור, "מלך הקרח" במדינה. לפי כותבת הביוגרפיה שלו, ויוויאן מ. שרלוק, סבר גורי כי טיודור הפעיל מסע השמצות נגדו. מסקנתו הסופית ביחס להמצאה, עם זאת, הייתה כי היא "הקדימה את צורכי המדינה". גורי מת בשנת 1855 ועמו שקעה גם המצאתו.

מערכות מיזוג אוויר עבור מוסדות רפואיים או עבור מוסדות ציבוריים החלו להיווצר בסוף המאה התשע עשרה. אחד היישומים הראשונים של טכנולוגית מיזוג האוויר נוצר על ידי המהנדס אלפרד וולף מהובוקן שבמדינת ניו ג'רזי, שיצר בשנת 1902 מערכת המספקת צינון וחימום לבורסה בניו יורק.

באותה שנה יצר ויליס קרייר מערכת מיזוג אוויר עבור בית דפוס גדול בברוקלין שבניו יורק. המערכת של קרייר סייעה גם בהשגת טמפרטורה נמוכה, וגם בהורדת רמת הלחות, כדי למנוע עיוותים בצורת הנייר ובמריחת הדיו בעת ההדפסה. מעט מאוחר יותר, בשנת 1906 ניסה סטיוארט וו. קריימר משרלוט שבצפון קרולינה למצוא דרכים להורדת הלחות באוויר במפעל הטקסטיל שלו. קריימר שילב שליטה בלחות ואוורור כדי לבקר את רמת הלחות והחום במפעל. קריימר היה גם זה שלו מיוחסת טביעת המונח "מיזוג אוויר", שבה השתמש ברישום הפטנט שלו, כדי להבחין את המונח מ"מיזוג מים" שהיה הליך מקובל במפעלי טקסטיל.

מערכות מיזוג האוויר המודרניות הראשונות – הראשונה בהן היא זו שהותקנה בבית החולים רויאל ויקטוריה בבלפסט שבצפון אירלנד בשנת 1915 – השתמשו בסוגים שונים של גזים רעילים כמו אמוניה וכלורומתאן, שגרמו לתאונות קטלניות כאשר דלפו. המהנדס האמריקני תומאס מידג'לי היה הראשון (1928) שעשה שימוש בגז הפריאון, שהתברר כבטוח יותר לשימוש. כיום, בגלל נזקי הפריאון לשכבת האוזון מופחת השימוש בו בהדרגה ובמקומו משתמשים ב-R-410A, תערובת כמעט אזיאוטרופית של הגזים מתאן דו-פלואורי ואתאן חמש-פלואורי, הנפוצה בשם המסחרי "פיורון" (Puron). אלא שגז זה תורם יותר להתחממות כדור הארץ מאשר הפריאון.

השימוש במיזוג אוויר במערכות ביתיות החל רק בסוף שנות הארבעים ובתחילת שנות החמישים.

יישומי מערכות מיזוג אוויר
ישנם שני סוגים עיקריים של יישומי מערכות מיזוג אוויר. הראשון, המכונה יישום נוחות מכוון להציע טמפרטורה אחידה, נוחה לבני אדם, בתוך שטח סגור, בלי קשר לטמפרטורה החיצונית. הטענות לפיהן מערכות מיזוג אוויר מגבירות את פוריות העבודה שנויות במחלוקת (חלק מהחוקרים סבורים כי השינוי נובע מאפקט הות'ורן), אך מערכות מיזוג אוויר פותרות את אחת הבעיות העיקריות הקשורות ב"תכנון עומק" של בניינים, באפשרן בניית בניינים רחבים יותר וגבוהים יותר. מיזוג האוויר מאפשר אוורור ואספקת אוויר צח לחללים פנימיים ולחדרים בקומות גבוהות, בהן השימוש באוורור טבעי באמצעות רוח אינו אפשרי בגלל מהירות הרוח.

יישום אחר של מערכות מיזוג מכונה יישום תהליך וייעדו לספק סביבה המתאימה לקיום תהליכים מסוימים התובעים סביבה בטמפרטורה אחידה, כמו חדרי ניתוח בבתי חולים, תהליכי "חדר נקי" בייצור תרופות או שבבים אלקטרוניים, מתקנים במעבדות, מיזוג אוויר במטוסים, חדרי שרתים ועוד.

עקרון הפעולה

עקרון הפעולה שעליו מבוססת פעולת המזגן נובע מעקרונות התרמודינמיקה, לפיהם בין היתר, הפיכת נוזל לגז (הרתחה) כרוכה בהשקעת אנרגיה והפיכת גז לנוזל (עיבוי) משחררת אנרגיה. אנרגיה זו בדרך כלל מבוטאת בצורה של חום.

החום הדרוש לשינוי מצב הצבירה מכונה גם "חום כמוס" מאחר שבתהליך שינוי מצב הצבירה (המבוצע בלחץ קבוע) אין שינוי בטמפרטורה.
על פי משוואת קלאוזיוס-קלפרון, הטמפרטורה בה מתרחש שינוי מצב הצבירה (מנוזל לגז או מגז לנוזל) תלויה בלחץ. כך בדרך כלל הגדלת הלחץ תעלה את טמפרטורת הרתיחה של החומר ואילו הקטנתו תוריד את טמפרטורת הרתיחה.

עקרון הפעולה של המזגן הוא למעשה העברת חום באמצעות שינוי מצב צבירה של קרר (נוזל קירור כגון אמוניה או פחמן כלורו-פלואורי (CFC) במזגנים מודרניים). הקרר מתעבה תחת לחץ גבוה בטמפרטורה גבוהה ומוסר חום לאוויר החיצוני. הוא מתאייד תחת לחץ נמוך בטמפרטורה נמוכה וגורע חום מהאוויר בחדר. הגז מכיל מעט שמן סיכה (לסיכת המדחס).

המבנה הסטנדרטי הוא:
 גז בלחץ נמוך ובטמפרטורת החדר נכנס למדחס (4 באיור), שם מושקעת עבודה לדחיסת הגז באמצעות מנוע חשמלי. הגז יוצא בלחץ גבוה, ובטמפרטורה גבוהה (עקב חוק הגז האידיאלי).
 הגז הדחוס והחם מוזרם בצינורות המעבה (1 באיור). המעבה מזרים אוויר (או לעיתים מים) בעזרת מאוורר דרך הצינורות, ומקרר את הגז הדחוס עד שהוא מתעבה לנוזל. עקב הלחץ הגבוה, הגז מתעבה גם בטמפרטורה גבוהה בהרבה מזו שבה הוא היה מתעבה אילו היה נתון בלחץ אטמוספירי, כך שדי בטמפרטורה של האוויר לשם כך.
 הנוזל היוצא מהמעבה נמצא בלחץ גבוה, והוא מוזרם דרך שסתום התפשטות (2 באיור), חריר או צינור נימי (קפילר), להורדת הלחץ.
 הנוזל שכעת בלחץ נמוך, מוזרם למאייד (3 באיור), שם באופן טבעי עובר התאיידות עקב ההפחתה של הלחץ. היות שנוזל מתאדה סופח בו חום, האוויר הבא במגע עם הנוזל מתקרר. מאוורר משמש לזירוז התפשטות האוויר המקורר בחדר. הגז יוצא מהמאייד בלחץ נמוך ובטמפרטורה רגילה וחוזר למדחס לסיבוב נוסף.

תהליך הקירור של המזגן מבוצע באמצעות הרתחה (איוד) של נוזל בלחץ נמוך. המאייד הוא מחליף חום. מאיידים מטיפוס התפשטות ישירה (Direct expansion) מורכבים מצינורות שבתוכם מוזרם קרר, במצב הצבירה הנוזלי בלחץ נמוך. כאשר הלחץ נמוך, נמוכה גם הטמפרטורה שבה מתרחש שינוי מצב הצבירה. מחוץ לצינורות מוזרם אוויר מהחדר ומים. לצינורות מחוברות צלעות לצורך הגדלת השטח ושיפור מעבר החום.
הנוזל בתוך הצינורות סופח חום מהאוויר המוזרם על פני הדפנות החיצוניות של הצינורות והופך לגז. האוויר מהחדר, המוזרם על פני הצינורות, מעביר חום לנוזל שרותח ועקב כך מתקרר.

במאיידים מוצפים (flooded) זורם הקרר מחוץ לצינורות, ואילו בתוך הצינורות זורמים מים או אוויר. המים מוסרים חום לקרר וכך הם מתקררים. המים המקוררים מסופקים ליחידת-קצה (יחידת טיפול באוויר, יחידת מפוח נחשון או יחידת Air water) שבה סליל קירור נוסף, שמשמש כמחליף חום בין האוויר המטופל למים המקוררים.

פעולת החימום במזגן מתבצעת על ידי הפיכת כיוון זרימת הגז במערכת כך שהחלק הפנימי של המזגן הופך למעבה והחלק החיצוני הופך למאייד, כך שהמזגן סופח חום מבחוץ במקום מתוך החדר.

כאשר המזגן עובד על חימום בחורף, צינורות היחידה החיצונית מתקררים מהיותם מאייד במצב זה, בטמפרטורות חוץ הנמוכות מ-5 מעלות צלזיוס וכן לחות גבוהה, עלולה להתרחש קפיאה של צינורות היחידה החיצונית, שעלולה להפריע לזרימת האוויר דרך הצינורות, וכתוצאה מכך לשבש את פעולת החימום וכן להרוס את המדחס. כדי להתמודד עם הבעיה המזגן במצב כזה עובר בחזרה למצב קירור למשך מספר דקות, כאשר כל המאווררים של שתי היחידות שלו לא עובדים, כדי לאפשר ליחידה החיצונית להפשיר ולמנוע כניסת אוויר קר לחדר, שעלול להיות לא נעים בחורף.

מסיבה זו, מזגנים לא נפוצים במדינות בעלות אקלים קר כמו אירופה, וכן בארצות הברית ששם משתמשים במערכות שבקיץ מתפקדות כמזגן ובחורף מתפקדות כהסקה מרכזית (מוכר גם בשם HVAC, ראשי תיבות של Heating, Ventilation, and Air Conditioning).

סוגי מזגנים
 מזגן חלון – במזגן זה כל הרכיבים ארוזים בתוך אותה מעטפת. מזגן מסוג כזה הוא חלש יחסית בגלל מגבלת מקום וחלקים קטנים. כמו כן, המזגן רועש יותר ממערכות מיזוג אחרות, מאחר שגורם הרעש העיקרי שלו, המדחס, נמצא בתוך המבנה יחד עם המאוורר לצד הקר. התכונה המרכזית של המזגן היא קלות ההתקנה, כיוון שניתן להתקין אותו על ידי הנחתו בחלון, וסגירת שאר הרווח באמצעות החלון. צורה זו של התקנת מזגן חלון, מקובלת בעיקר בארצות הברית, שם עיצוב החלונות מאפשר התקנה כזאת (פתיחה וסגירה מלמעלה במקום מהצד כמו בישראל) מבלי לפגום באסתטיקה. בישראל, עיצוב החלונות הופך צורת התקנה זו לבלתי נוחה ובלתי אסתטית, ולכן נהוג להתקין את המזגן בתוך חור בקיר.
 מזגן מפוצל – מזגן בו הרכיבים מפוצלים לשני מארזים: מארז אחד לצד הקר, ומארז אחד לצד החם. בצד הקר מצויים כפתורי ההפעלה, מקרן הקירור ומאוורר. ובצד החם מצויים המדחס, מקרן החימום והמאוורר הנוסף. בין שני המארזים יש צינור כפול המוביל את הגז הקר ומחזיר את החם, כבל חשמלי וכן צינור לניקוז המים שנוצרים מההתעבות בחלק הקר. מזגן זה יכול להיות בעל עוצמה רבה, כאשר גורם הרעש העיקרי נמצא מחוץ למבנה. מזגנים מסוג זה מסוגלים למזג את האוויר גם בשטחים גדולים מאוד כמו קניונים ובנייני משרדים.
 מזגן נייד - כל רכיבי המזגן ארוזים במעטפת דמוית קופסה, שכולל פתח יניקת אוויר, פתח פליטה להזרמת אוויר קר, ופתח פליטה להזרמת האוויר החם לחוץ באמצעות צינור פליטה. יתרונותיו של מזגן זה שאינו מצריך כל התקנה, ואפשר לניידו מחדר לחדר ומדירה לדירה, חסרונותיו שהיעילות האנרגתית שלו נמוכה בכשליש ממזגן רגיל, שהספק הקור שלו נמוך (בין כ-8000 ל-1300 BTU), זמן הקירור שלו איטי, והוא מרעיש כיוון שהמדחס שלו בתוך מקום הקירור. חלק ממזגנים אלו מוגבלים לקירור ולא מאפשרים חימום, ואלו שכן מאפשרים חימום, מחממים על פי רוב על ידי גופי חימום בדומה למפזר חום ולא על ידי שינוי כיוון זרימת הגז במערכת (משאבת חום) בדומה למזגנים אחרים. מזגן מטיפוס זה לא יהיה יעיל לחללים גדולים אלא לחדר קטן עד בינוני.
 מערכת קירור מים (צ'ילר) – במקומות בהם צריך להעביר את הגז הקר למרחק גדול בין המדחס לבין החלק הקר (קניונים, חנויות, מרכולים, בתי חולים, מפעלים, מוסדות ציבוריים וכדומה), משתמשים במערכת קירור מים. במקומות כאלו מזגן מפוצל רגיל מאבד את יעילותו. ולכן, מצננים מים לטמפרטורה נמוכה בעזרת הגז ביחידת הקירור, ואז מזרימים את המים לאורך הצנרת למרחקים גדולים. בצד הקר, האוויר נושב על המים, וכך נפלט קור למקום הדרוש. יחידת הקצה נקראת "יחידת טיפול באוויר". יחידות טיפול באוויר קטנות נקראות יחידות מפוח נחשון או יחידות אוויר-מים (AW).
 מגדל קירור – כדי לייעל את תהליך פיזור החום מהמקרן החם ניתן להשתמש במים מקוררים. את המים מקררים בתהליך התאדות בו המים מטפטפים ועליהם מוזרם אוויר – מה שגורם לצינון המים. קירור המקרן החם באמצעות המים תורם לחסכון באנרגיה חשמלית לטווח הארוך. בתהליך ההתאדות פוחתת כמות המים במערכת ויש לפצות על כך בהוספת מים חדשים.

עוצמת המזגן
עוצמת המזגן נמדדת ביחידות BTU (British Thermal Units). יחידת BTU אחת, השווה ל-1,055 ג'אול, היא כמות האנרגיה הדרושה לחימום פאונד אחד של מים (בערך 0.45 קילוגרם) לטמפרטורה של מעלת פרנהייט אחת (בערך 0.56 מעלות צלזיוס). את עוצמת הקירור של מזגנים מקובל לציין ביחידות של BTU לשעה (אם כי הנוהג הנפוץ והמטעה הוא לקרוא לכך רק "BTU"). כאשר מדובר במזגנים, טון קירור אחד שווה ל-12,000 BTU.

כדי לחשב את יעילות המזגן, מחלקים את כמות ה-BTU לשעה שהמזגן מפיק בהספק החשמלי שהוא צורך. לדוגמה: למזגן שמפיק 18,000 BTU לשעה ושצורך 2,250 ואט תהיה יעילות של 8 EER (Energy Efficiency Ratio).

מדד אחר ליעילות המזגן הוא: COP - Coefficient Of Performance, אשר מחושב בצורה דומה, כאשר עוצמת המזגן נתונה ביחידות ואט.

ניתן להמיר את היעילות מ-EER ל-COP באמצעות חלוקה ב-3.413. לדוגמה מזגן בעל יעילות של 8 EER הוא למעשה בעל יעילות של 2.34 COP.

יש להבדיל בין יעילות אנרגטית שגבוהה מ-1, לבין יעילות תרמית שאינה יכולה להיות גבוהה מ-1. ההבדל הוא שהיעילות האנרגטית לוקחת בחשבון רק את החלל הממוזג, אולם בתהליך כולו גם יש מעבר חום בין החלל אל החוץ (המעבה פולט החוצה).

בישראל נפוץ למדוד את עוצמת המזגן בכוח סוס, אולם זוהי טעות.

מזגן בתפוקה משתנה
מזגן בתפוקה משתנה (dc inverter air conditioner) הוא מזגן אוויר שביחידת המדחס שלו מנוע הפועל בזרם ישר במהירות משתנה.

כאשר משנים מהירות במנוע רגיל, הפועל בזרם חילופין מתקבל גם שינוי בכוח המנוע. לכן מנוע כזה אינו מתאים להפעלת מזגן במהירות משתנה - שימוש בו יגרום למנוע להיעצר בעת הורדת מהירות.
מנוע עדיף להפעלת מזגן במהירות משתנה הוא מנוע בזרם ישר. במנוע כזה ניתן להוריד מהירות ועדיין לשמור על כוח שיספיק להפעלת מדחס המזגן.
הפעלת מזגן בתפוקה משתנה מאפשרת עבודה רציפה של המזגן כאשר בשלב ההדלקה של המזגן המנוע מסתובב במהירות גבוהה. לאחר שהמזגן הגיע לטמפרטורה הרצויה המנוע יוריד מהירות, אך ישמור על מהירות נמוכה ומתאימה לצורכי המשתמש. במזגן רגיל המדחס נעצר עד אשר תעלה הטמפרטורה במספר מעלות ואז שוב פועל בעוצמה גבוהה.

השינוי הרציף בתפוקת המזגן, מאפשר קירור או חימום ללא גלי חום וקור האופייניים למזגנים רגילים, וגם מאפשר גריעת לחות קבועה בקירור.

למרות הטענה של היצרנים שמזגנים בתפוקה משתנה חוסכים עד 30-50% בצריכת חשמל, אין כל הוכחה שמזגן בתפוקה משתנה יותר חסכני באנרגיה לעומת מזגן רגיל, גם אם שניהם מכוונים לאותה טמפרטורה, ובפרט כאשר הבידוד התרמי של החדר הוא מושלם. במצב כזה במזגן רגיל, המדחס רוב הזמן לא יעבוד כאשר במזגן בתפוקה משתנה הוא יעבוד כל הזמן בתפוקה נמוכה ובכך יבזבז חשמל שמזגן רגיל לא היה מבזבז.

מצנן אוויר 
מצנן אוויר הוא מכשיר חשמלי מזרים אוויר דרך רפידות הספוגות במים. בתנאי אקלים חמים ויבשים, מצנן האוויר עשוי לקרר מאוד. מצנן אוויר גורם לאוויר להיות לח יותר, בניגוד למזגן שמייבש את האוויר בקירור.

מצנני אוויר נוטים להרגיש כאילו הם אינם מקררים בזמנים של לחות גבוהה, כאשר אין הרבה אוויר יבש שאיתו יכולים המצננים לפעול בכדי להפוך את האוויר לקריר ככל האפשר לדיירי המגורים. שלא כמו סוגים אחרים של מזגנים, מצנני אוויר מסתמכים על כך שהאוויר החיצוני ינתב דרך רפידות קרירות יותר שמקררות את האוויר לפני שהוא מגיע לפנים הבית באמצעות מערכת צינורות האוויר שלו. יש לאפשר לאוויר החיצוני המקורר לסלק את האוויר החם יותר בתוך הבית החוצה דרך דלת פתוחה או חלון.

כמו כן, הפעלת מצנן אוויר ומזגן ביחד, עלול לפגום ביעילות של שני המכשירים, משום שהמזגן מוריד את הלחות והמצנן מעלה אותה.

קירור ברוח 
לפני המצאת המזגן המודרני, נעשה שימוש באדריכלות ייעודית עבור קירור מבנים באזורים חמים ויבשים. 

דוגמה לכך היא מגדל רוח, ארובה חיצונית צמודה למבנה אשר מקורה באיראן. 

השימוש באלמנטים אדריכליים לקירור מבנים הוזנח על ידי האדריכלות המודרנית, משיקולים של יעילות ופשטות עבודה, אולם בשנים האחרונות יש עניין מחודש בהטמעת שיטות לאוורור בניינים מודרניים, לטובת הגברת האוורור וחסכון בחשמל.

מאחר ואופן הפעולה תלוי באקלים ותנאים מקומיים, לא כל השיטות מתאימות בכל מקום, ויש להתאים את התכנון לגיאוגרפיה.

ראו גם
 קירור
 הסקה מרכזית
 מקרר
המקרר של איינשטיין

קישורים חיצוניים

 איך עובד מזגן?
 
 
  מזגני אוויר מותקנים בספרייה הלאומית, 1961, באתר ארכיון הסרטים הישראלי בסינמטק ירושלים

הערות שוליים

מכשירי חשמל ביתיים
מערכות בניין
קירור חשמלי