Кондиционирование воздуха , часто сокращенно A/C (США) или air con (Великобритания), [1] представляет собой процесс удаления тепла из замкнутого пространства для достижения более комфортной внутренней температуры (иногда называемый «комфортным охлаждением»), а в некоторых случаях также строгого контроля влажности внутреннего воздуха. Кондиционирование воздуха может быть достигнуто с помощью механического «кондиционера» или другими методами, включая пассивное охлаждение и вентиляционное охлаждение . [2] [3] Кондиционирование воздуха является членом семейства систем и технологий, которые обеспечивают отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха (HVAC) . [4] Тепловые насосы во многом похожи на кондиционеры, но используют реверсивный клапан , чтобы позволить им как обогревать, так и охлаждать замкнутое пространство. [5]
Кондиционеры, которые обычно используют парокомпрессионное охлаждение , различаются по размеру от небольших агрегатов, используемых в транспортных средствах или отдельных комнатах, до огромных агрегатов, которые могут охлаждать большие здания. [6] Воздушные тепловые насосы , которые можно использовать как для отопления, так и для охлаждения , становятся все более распространенными в более прохладном климате.
Кондиционеры могут снизить уровень смертности из-за более высокой температуры. [7] По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в 2016 году во всем мире использовалось 1,6 миллиарда кондиционеров. [8] Организация Объединенных Наций призвала сделать технологию более устойчивой для смягчения последствий изменения климата и использовать альтернативные решения, такие как пассивное охлаждение, испарительное охлаждение , выборочное затенение, ветроуловители и лучшую теплоизоляцию .
Кондиционирование воздуха восходит к доисторическим временам. [9] Жилые помещения с двойными стенами, с зазором между двумя стенами для обеспечения циркуляции воздуха, были найдены в древнем городе Хамукар , в современной Сирии . [10] Древние египетские здания также использовали широкий спектр пассивных методов кондиционирования воздуха. [11] Они получили широкое распространение от Пиренейского полуострова до Северной Африки, Ближнего Востока и Северной Индии. [12]
Пассивные методы оставались широко распространенными до 20-го века, когда они вышли из моды и были заменены кондиционером с электроприводом. Используя информацию из инженерных исследований традиционных зданий, пассивные методы возрождаются и модифицируются для архитектурных проектов 21-го века. [13] [12]
Кондиционеры позволяют внутренней среде здания оставаться относительно постоянной, в значительной степени независимой от изменений внешних погодных условий и внутренних тепловых нагрузок. Они также позволяют создавать здания с глубокой планировкой и позволяют людям комфортно жить в более жарких частях мира, но теперь подвергаются критике за то, что вносят значительный вклад в изменение климата из-за высокого потребления электроэнергии и нагревания своего непосредственного окружения в крупных городах. [14] [15]
В 1558 году Джамбаттиста делла Порта в своей научно-популярной книге « Естественная магия» описал метод охлаждения льда до температур, значительно ниже точки замерзания , путем смешивания его с нитратом калия (тогда называвшимся «селитрой») . [16] [17] [18] В 1620 году Корнелис Дреббель продемонстрировал «превращение лета в зиму» для Якова I Английского , охладив часть Большого зала Вестминстерского аббатства с помощью аппарата из желобов и чанов. [19] Современник Дреббеля Фрэнсис Бэкон , как и делла Порта, веривший в научную коммуникацию , возможно, не присутствовал на демонстрации, но в книге, опубликованной позднее в том же году, он описал ее как «эксперимент по искусственному замораживанию» и сказал, что «Селитра (или, скорее, ее дух) очень холодная, и поэтому селитра или соль, добавленные к снегу или льду, усиливают холод последнего, селитра — добавляя к нему холод, а соль — добавляя активность холоду снега». [16]
В 1758 году Бенджамин Франклин и Джон Хэдли , профессор химии в Кембриджском университете , провели эксперименты, применяя принцип испарения как средство для быстрого охлаждения объекта. Франклин и Хэдли подтвердили, что испарение высоколетучих жидкостей (таких как спирт и эфир ) может быть использовано для понижения температуры объекта ниже точки замерзания воды. Они экспериментировали с шариком ртутного стеклянного термометра в качестве своего объекта. Они использовали меха, чтобы ускорить испарение . Они понизили температуру шарика термометра до −14 °C (7 °F), в то время как температура окружающей среды составляла 18 °C (64 °F). Франклин отметил, что вскоре после того, как они прошли точку замерзания воды 0 °C (32 °F), на поверхности шарика термометра образовалась тонкая пленка льда, и что масса льда была около 6 мм ( 1 ⁄ 4 дюйма) толщиной, когда они остановили эксперимент при достижении −14 °C (7 °F). Франклин пришел к выводу: «Из этого эксперимента можно увидеть возможность заморозить человека до смерти в теплый летний день». [20]
В 19 веке произошло много событий в области компрессионной технологии. В 1820 году английский ученый и изобретатель Майкл Фарадей обнаружил, что сжатие и сжижение аммиака может охлаждать воздух, если сжиженному аммиаку дать испариться. [21] В 1842 году врач из Флориды Джон Горри использовал технологию компрессора для создания льда, который он использовал для охлаждения воздуха для своих пациентов в своей больнице в Апалачиколе, штат Флорида . Он надеялся в конечном итоге использовать свою машину для производства льда для регулирования температуры зданий. [21] [22] Он представлял себе централизованное кондиционирование воздуха, которое могло бы охлаждать целые города. Горри получил патент в 1851 году, [23] но после смерти своего главного покровителя он не смог реализовать свое изобретение. [24] В 1851 году Джеймс Харрисон создал первую механическую машину для производства льда в Джилонге, Австралия , и получил патент на систему охлаждения паров эфира в 1855 году, которая производила три тонны льда в день. [25] В 1860 году Харрисон основал вторую компанию по производству льда. Позже он вступил в дебаты по поводу конкуренции с американским преимуществом в продаже охлажденной во льду говядины в Соединенное Королевство. [25]
Электричество сделало возможным создание эффективных агрегатов. В 1901 году американский изобретатель Уиллис Х. Кэрриер построил то, что считается первым современным электрическим кондиционером. [26] [27] [28] [29] В 1902 году он установил свою первую систему кондиционирования воздуха в Sackett-Wilhelms Lithographing & Publishing Company в Бруклине, Нью-Йорк . [30] Его изобретение контролировало как температуру, так и влажность, что помогало поддерживать постоянные размеры бумаги и выравнивание чернил на типографии. Позже, вместе с шестью другими сотрудниками, Кэрриер основал The Carrier Air Conditioning Company of America , бизнес, в котором в 2020 году работало 53 000 человек, и который был оценен в 18,6 млрд долларов. [31] [32]
В 1906 году Стюарт В. Крамер из Шарлотта, Северная Каролина , исследовал способы добавления влаги в воздух на своей текстильной фабрике. Крамер ввел термин «кондиционирование воздуха» в патентной заявке, которую он подал в том же году, где он предположил, что кондиционирование воздуха аналогично «водяному кондиционированию», тогда известному процессу, облегчающему обработку текстиля. [33] Он объединил влажность с вентиляцией для «кондиционирования» и изменения воздуха на фабриках; таким образом, контролируя влажность, необходимую на текстильных заводах. Уиллис Кэрриер принял этот термин и включил его в название своей компании. [34]
Вскоре началось развитие бытового кондиционирования воздуха. В 1914 году первый бытовой кондиционер был установлен в Миннеаполисе в доме Чарльза Гилберта Гейтса . Однако вполне возможно, что это значительное устройство (примерно 2,1 м × 1,8 м × 6,1 м; 7 футов × 6 футов × 20 футов) так и не было использовано, поскольку дом оставался необитаемым [21] (Гейтс умер уже в октябре 1913 года).
В 1931 году HH Schultz и JQ Sherman разработали то, что стало наиболее распространенным типом индивидуального комнатного кондиционера: тот, который был разработан для установки на подоконнике. Устройства поступили в продажу в 1932 году по цене от 10 000 до 50 000 долларов США (что эквивалентно 200 000–1 100 000 долларов США в 2023 году.) [21] Год спустя были предложены к продаже первые системы кондиционирования воздуха для автомобилей . [35] Chrysler Motors представила первый практичный полупереносной кондиционер в 1935 году, [36] а Packard стала первым производителем автомобилей, предложившим кондиционер в своих автомобилях в 1939 году. [37]
Инновации во второй половине 20-го века позволили более повсеместно использовать кондиционеры. В 1945 году Роберт Шерман из Линна, Массачусетс , изобрел портативный оконный кондиционер, который охлаждал, нагревал, увлажнял, осушал и фильтровал воздух. [38] Первые инверторные кондиционеры были выпущены в 1980–1981 годах. [39] [40]
В более теплых регионах использование кондиционеров имеет тенденцию к росту, если годовой доход домохозяйств превышает 10 000 долларов США. [41] Рост мирового ВВП объясняет около 85% увеличения использования кондиционеров к 2050 году, в то время как оставшиеся 15% можно объяснить изменением климата . [41]
По оценкам, в 2016 году во всем мире использовалось 1,6 миллиарда кондиционеров, более половины из которых находились в Китае и США , а общая мощность охлаждения составляла 11 675 гигаватт. [8] [42] Международное энергетическое агентство в 2018 году прогнозировало, что к 2050 году количество кондиционеров вырастет примерно до 4 миллиардов единиц, а общая мощность охлаждения вырастет примерно до 23 000 ГВт, при этом наибольший рост будет наблюдаться в Индии и Китае . [8] В период с 1995 по 2004 год доля городских домохозяйств в Китае, имеющих кондиционеры, увеличилась с 8% до 70%. [43] По состоянию на 2015 год почти 100 миллионов домов, или около 87% домохозяйств США, имели системы кондиционирования воздуха. [44] В 2019 году было подсчитано, что 90% новых односемейных домов, построенных в США, были оснащены кондиционерами (от 99% на Юге до 62% на Западе ). [45] [46]
Охлаждение в традиционных системах кондиционирования воздуха осуществляется с помощью цикла компрессии пара, который использует принудительную циркуляцию хладагента и фазовый переход между газом и жидкостью для передачи тепла. [47] [48] Цикл компрессии пара может происходить в унитарном или пакетном оборудовании; или в чиллере, который подключен к конечному охлаждающему оборудованию (например, к фанкойлу в воздухообрабатывающей установке) со стороны испарителя и к оборудованию для отвода тепла, такому как градирня, со стороны конденсатора. Воздушный тепловой насос имеет много общих компонентов с системой кондиционирования воздуха, но включает в себя реверсивный клапан , который позволяет использовать устройство как для обогрева, так и для охлаждения помещения. [49]
Оборудование для кондиционирования воздуха снизит абсолютную влажность воздуха, обрабатываемого системой, если поверхность испарительного змеевика значительно холоднее точки росы окружающего воздуха. Кондиционер, предназначенный для занятого пространства, обычно достигает относительной влажности от 30% до 60% в занятом пространстве. [50]
Большинство современных систем кондиционирования воздуха имеют цикл осушения, во время которого работает компрессор. В то же время вентилятор замедляется, чтобы снизить температуру испарителя и конденсировать больше воды. Осушитель использует тот же цикл охлаждения , но включает как испаритель, так и конденсатор в один и тот же воздушный путь; воздух сначала проходит через испарительный змеевик, где он охлаждается [51] и осушается, прежде чем пройти через конденсаторный змеевик, где он снова нагревается, прежде чем он будет выпущен обратно в помещение. [ необходима цитата ]
Иногда можно выбрать свободное охлаждение , когда наружный воздух холоднее внутреннего. Поэтому компрессор не нужно использовать, что обеспечивает высокую эффективность охлаждения в это время. Это также можно сочетать с сезонным хранением тепловой энергии . [52]
Некоторые системы кондиционирования воздуха могут реверсировать цикл охлаждения и действовать как тепловой насос с воздушным источником , таким образом нагревая, а не охлаждая внутреннюю среду. Их также обычно называют «кондиционерами с обратным циклом». Тепловой насос значительно более энергоэффективен, чем электронагреватель сопротивления , поскольку он перемещает энергию из воздуха или грунтовых вод в отапливаемое помещение, а тепло — из приобретенной электроэнергии. Когда тепловой насос находится в режиме обогрева, внутренний испарительный змеевик меняет роли и становится конденсаторным змеевиком, вырабатывая тепло. Наружный конденсаторный блок также меняет роли, чтобы служить испарителем и выпускать холодный воздух (холоднее, чем окружающий наружный воздух).
Большинство тепловых насосов с воздушным источником становятся менее эффективными при наружных температурах ниже 4 °C или 40 °F. [53] Это отчасти связано с тем, что на змеевике теплообменника наружного блока образуется лед, который блокирует поток воздуха через змеевик. Чтобы компенсировать это, система теплового насоса должна временно переключиться обратно в обычный режим кондиционирования воздуха, чтобы переключить наружный испарительный змеевик обратно на конденсаторный змеевик для нагрева и размораживания. Поэтому некоторые системы тепловых насосов будут иметь электрический резистивный нагрев в воздушном пути внутри помещения, который активируется только в этом режиме, чтобы компенсировать временное охлаждение воздуха внутри помещения, которое в противном случае было бы некомфортно зимой.
Более новые модели обладают улучшенными характеристиками работы в холодную погоду, с эффективной теплопроизводительностью до −14 °F (−26 °C). [54] [53] [55] Однако всегда существует вероятность того, что влага, которая конденсируется на теплообменнике наружного блока, может замерзнуть, даже в моделях с улучшенными характеристиками работы в холодную погоду, требующих выполнения цикла размораживания.
Проблема обледенения становится намного более серьезной при более низких температурах наружного воздуха, поэтому тепловые насосы иногда устанавливаются в тандеме с более традиционной формой отопления, такой как электрический нагреватель, природный газ , печное масло или дровяной камин или центральное отопление , которое используется вместо или в дополнение к тепловому насосу во время более суровых зимних температур. В этом случае тепловой насос эффективно используется во время более умеренных температур, и система переключается на традиционный источник тепла, когда наружная температура ниже.
Коэффициент производительности (КПД) системы кондиционирования воздуха — это отношение полезного нагрева или охлаждения, обеспечиваемого требуемой работой. [56] [57] Более высокие КПД соответствуют более низким эксплуатационным расходам. КПД обычно превышает 1; однако точное значение сильно зависит от условий эксплуатации, особенно от абсолютной температуры и относительной температуры между раковиной и системой, и часто отображается в виде графика или усредняется по ожидаемым условиям. [58] Мощность оборудования для кондиционирования воздуха в США часто описывается в терминах « тонн охлаждения », каждая из которых приблизительно равна охлаждающей способности одной короткой тонны (2000 фунтов (910 кг) льда, тающего за 24-часовой период. Значение равно 12 000 БТЕ в час или 3517 Вт . [59] Мощность систем центрального кондиционирования в жилых помещениях обычно составляет от 1 до 5 тонн (от 3,5 до 18 кВт). [ необходима ссылка ]
Эффективность кондиционеров часто оценивается по сезонному коэффициенту энергоэффективности (SEER), который определен Институтом кондиционирования воздуха, отопления и охлаждения в его стандарте AHRI 210/240 2008 года «Рейтинг производительности унитарных систем кондиционирования воздуха и воздушного теплового насоса» . [60] Похожий стандарт — европейский сезонный коэффициент энергоэффективности (ESEER). [ необходима ссылка ]
Эффективность сильно зависит от влажности охлаждаемого воздуха. Осушение воздуха перед попыткой его охлаждения может снизить последующие затраты на охлаждение на целых 90 процентов. Таким образом, снижение затрат на осушение может существенно повлиять на общие затраты на кондиционирование воздуха. [61]
Этот тип контроллера использует инфракрасный светодиод для передачи команд с пульта дистанционного управления на кондиционер. Выход инфракрасного светодиода (как и любого инфракрасного пульта) невидим для человеческого глаза, поскольку его длина волны находится за пределами диапазона видимого света (940 нм). Этот контроллер обычно используется в мини-сплит-кондиционерах, поскольку он прост и портативен. Некоторые оконные и канальные центральные кондиционеры также используют его.
Проводной контроллер, также называемый «проводным термостатом», — это устройство, которое управляет кондиционером, включая или выключая обогрев или охлаждение. Он использует различные датчики для измерения температуры и приведения в действие операций управления. Механические термостаты обычно используют биметаллические полоски , преобразующие изменение температуры в механическое смещение, для приведения в действие управления кондиционером. Электронные термостаты, вместо этого, используют термистор или другой полупроводниковый датчик, обрабатывающий изменение температуры как электронные сигналы для управления кондиционером.
Эти контроллеры обычно используются в гостиничных номерах, поскольку они стационарно устанавливаются на стене и подключаются непосредственно к кондиционеру, что исключает необходимость в батареях.
* где типичная мощность указана в киловаттах следующим образом:
Системы без воздуховодов (часто мини-сплит, хотя сейчас существуют и канальные мини-сплит) обычно подают кондиционированный и нагретый воздух в одну или несколько комнат здания без воздуховодов и децентрализованно. [62] Многозональные или мульти-сплит системы являются распространенным применением систем без воздуховодов и позволяют кондиционировать до восьми комнат (зон или мест) независимо друг от друга, каждая с помощью своего внутреннего блока и одновременно от одного наружного блока.
Первая мини-сплит-система была продана в 1961 году компанией Toshiba в Японии, а первый настенный мини-сплит-кондиционер был продан в 1968 году в Японии компанией Mitsubishi Electric , где небольшие размеры домов мотивировали их разработку. Модель Mitsubishi была первым кондиционером с вентилятором поперечного потока . [63] [64] [65] В 1969 году первый мини-сплит-кондиционер был продан в США. [66] Многозональные системы без воздуховодов были изобретены компанией Daikin в 1973 году, а системы с переменным потоком хладагента (которые можно рассматривать как более крупные мульти-сплит-системы) также были изобретены компанией Daikin в 1982 году. Обе системы были впервые проданы в Японии. [67] Системы с переменным потоком хладагента по сравнению с центральным охлаждением установки с помощью воздухообрабатывающего агрегата устраняют необходимость в больших воздуховодах холодного воздуха, воздухообрабатывающих агрегатах и охладителях; Вместо этого холодный хладагент транспортируется по гораздо меньшим трубам к внутренним блокам в кондиционируемых помещениях, что позволяет использовать меньше пространства над подвесными потолками и оказывать меньшее структурное воздействие, а также обеспечивает более индивидуальный и независимый контроль температуры в помещениях. Наружные и внутренние блоки могут быть распределены по всему зданию. [68] Внутренние блоки с переменным потоком хладагента также могут быть отключены по отдельности в неиспользуемых помещениях. [ необходима цитата ] Более низкая пусковая мощность инверторных компрессоров постоянного тока VRF и присущие им требования к питанию постоянным током также позволяют запускать работающие на солнечной энергии тепловые насосы VRF с использованием солнечных панелей, обеспечивающих постоянный ток.
Центральные кондиционеры сплит-системы состоят из двух теплообменников , внешнего блока ( конденсатора ), из которого тепло отводится в окружающую среду, и внутреннего теплообменника ( испарителя , или фанкойла, FCU) с циркулирующим между ними хладагентом по трубам. Затем FCU подключается к охлаждаемым помещениям с помощью вентиляционных каналов . [69] Напольные кондиционеры похожи на этот тип кондиционера, но устанавливаются в помещениях, требующих охлаждения.
.JPG/1280px-Industrial_air_conditioning_unit_(DFdB).JPG)
Крупные центральные охладительные установки могут использовать промежуточный хладагент, такой как охлажденная вода , закачиваемая в воздухообрабатывающие установки или фанкойлы вблизи или в охлаждаемых помещениях, которые затем направляют или доставляют холодный воздух в кондиционируемые помещения, а не направляют холодный воздух непосредственно в эти помещения с установки, что не делается из-за низкой плотности и теплоемкости воздуха, что потребовало бы непрактично больших воздуховодов. Охлажденная вода охлаждается охладителями на установке, которая использует холодильный цикл для охлаждения воды, часто передавая свое тепло в атмосферу даже в охладителях с жидкостным охлаждением с помощью градирен . Охладители могут быть с воздушным или жидкостным охлаждением. [70] [71]
Переносная система представляет собой внутренний блок на колесах, соединенный с наружным блоком с помощью гибких труб, аналогично стационарно установленному блоку (например, бесканальному сплит-кондиционеру).
Системы шлангов, которые могут быть моноблочными или воздухо-воздушными , выводятся наружу через воздуховоды. Моноблочный тип собирает воду в ведро или поддон и останавливается при заполнении. Воздухо-воздушный тип повторно испаряет воду, выпускает ее через воздуховодный шланг и может работать непрерывно. Многие, но не все портативные устройства забирают воздух из помещения и выбрасывают его наружу через один воздуховод, что отрицательно сказывается на их общей эффективности охлаждения.
Многие переносные кондиционеры оснащены функцией обогрева, а также осушения. [72]
Кондиционеры с пакетным терминалом (PTAC), через стену и оконные кондиционеры похожи. Эти блоки устанавливаются на оконной раме или в проеме стены. Блок обычно имеет внутреннюю перегородку, разделяющую его внутреннюю и наружную стороны, которые содержат конденсатор и испаритель блока соответственно. Системы PTAC могут быть адаптированы для обеспечения отопления в холодную погоду, либо напрямую с помощью электрической полосы, газа или других нагревателей, либо путем изменения направления потока хладагента для обогрева помещения и отвода тепла из наружного воздуха, превращая кондиционер в тепловой насос . Их можно установить в проеме стены с помощью специального рукава на стене и специальной решетки, которая находится заподлицо со стеной, а оконные кондиционеры также можно установить в окне, но без специальной решетки. [73]
Упакованные кондиционеры (также известные как автономные блоки) [74] [75] представляют собой центральные системы, которые объединяют в одном корпусе все компоненты раздельной центральной системы и подают воздух, возможно, через воздуховоды, в охлаждаемые помещения. В зависимости от конструкции они могут быть наружными или внутренними, на крышах ( крышные блоки ), [76] [77] забирают кондиционируемый воздух изнутри или снаружи здания и охлаждаются водой или воздухом. Часто наружные блоки охлаждаются воздухом, а внутренние блоки охлаждаются жидкостью с помощью градирни. [69] [78] [79] [80] [81] [82]
Этот компрессор состоит из картера , коленчатого вала , штока поршня , поршня , поршневого кольца , головки цилиндра и клапанов. [ необходима ссылка ]
Этот компрессор использует две чередующиеся спирали для сжатия хладагента. [83] он состоит из одной фиксированной и одной орбитальной спирали. Этот тип компрессора более эффективен, поскольку у него на 70 процентов меньше движущихся частей, чем у поршневого компрессора. [ необходима цитата ]
Этот компрессор использует два очень тесно зацепленных спиральных ротора для сжатия газа. Газ поступает со стороны всасывания и движется по резьбе по мере вращения винтов. Зацепленные роторы проталкивают газ через компрессор, и газ выходит на конце винтов. Рабочая область представляет собой межлопастной объем между ведущим и ведомым роторами. Он больше на впускном конце и уменьшается по длине роторов до выпускного отверстия. Это изменение объема и есть сжатие. [ необходима цитата ]
Существует несколько способов модуляции холодопроизводительности в системах охлаждения или кондиционирования воздуха и отопления . Наиболее распространенными в системах кондиционирования воздуха являются: циклическое включение-выключение, обход горячего газа, использование или отсутствие впрыска жидкости, конфигурации коллекторов из нескольких компрессоров, механическая модуляция (также называемая цифровой) и инверторная технология. [ необходима цитата ]
Обход горячего газа подразумевает впрыскивание некоторого количества газа со стороны нагнетания на сторону всасывания. Компрессор будет продолжать работать с той же скоростью, но из-за обхода уменьшается массовый поток хладагента, циркулирующего в системе, и, следовательно, охлаждающая способность. Это, естественно, приводит к тому, что компрессор работает бесполезно в периоды работы обхода. Диапазон снижения производительности варьируется от 0 до 100%. [84]
В системе можно установить несколько компрессоров для обеспечения пиковой охлаждающей способности. Каждый компрессор может работать или нет, чтобы регулировать охлаждающую способность агрегата. Диапазон изменения производительности составляет 0/33/66 или 100% для конфигурации трио и 0/50 или 100% для тандема. [ необходима цитата ]
Эта внутренняя механическая модуляция производительности основана на периодическом процессе сжатия с регулирующим клапаном , два набора спиралей раздвигаются, останавливая сжатие на заданный период времени. Этот метод изменяет поток хладагента, изменяя среднее время сжатия, но не фактическую скорость двигателя. Несмотря на превосходное отношение диапазона изменения — от 10 до 100% охлаждающей способности, механически модулированные спирали имеют высокое потребление энергии , поскольку двигатель работает непрерывно. [ требуется цитата ]
Эта система использует частотно-регулируемый привод (также называемый инвертором) для управления скоростью компрессора. Расход хладагента изменяется за счет изменения скорости компрессора. Коэффициент уменьшения зависит от конфигурации системы и производителя. Он модулирует от 15 или 25% до 100% при полной мощности с одним инвертором и от 12 до 100% с гибридным тандемом. Этот метод является наиболее эффективным способом модуляции мощности кондиционера. Он на 58% эффективнее, чем система с фиксированной скоростью. [ необходима цитата ]
В жаркую погоду кондиционирование воздуха может предотвратить тепловой удар , обезвоживание от чрезмерного потоотделения , нарушения электролитного баланса , почечную недостаточность , [8] а также другие проблемы, связанные с гипертермией . [85] Волны тепла являются наиболее смертоносным типом погодных явлений в Соединенных Штатах. [86] [87] Исследование 2020 года показало, что районы с более низким использованием кондиционирования воздуха коррелируют с более высокими показателями смертности и госпитализаций, связанных с жарой. [88] Волна тепла во Франции в августе 2003 года привела к примерно 15 000 смертей, причем 80% жертв были старше 75 лет. В ответ на это французское правительство потребовало, чтобы во всех домах престарелых было по крайней мере одно кондиционированное помещение с температурой 25 °C (77 °F) на этаже во время волн тепла. [8]
Кондиционирование воздуха (включая фильтрацию, увлажнение, охлаждение и дезинфекцию) может использоваться для обеспечения чистой, безопасной, гипоаллергенной атмосферы в операционных больниц и других помещениях, где правильная атмосфера имеет решающее значение для безопасности и благополучия пациентов. Иногда его рекомендуют для домашнего использования людям с аллергией , особенно на плесень . [89] [90] Однако плохо обслуживаемые градирни могут способствовать росту и распространению микроорганизмов, таких как Legionella pneumophila , инфекционный агент, ответственный за болезнь легионеров . Пока градирня содержится в чистоте (обычно с помощью обработки хлором ), этих опасностей для здоровья можно избежать или уменьшить. В штате Нью-Йорк кодифицированы требования к регистрации, обслуживанию и тестированию градирен для защиты от легионеллы . [91]
Первоначально изобретение было разработано для использования в таких целевых отраслях, как пресса, а также в крупных фабриках, но вскоре оно распространилось на государственные учреждения и администрации, и исследования показали, что производительность труда в местах, оборудованных кондиционерами, повышается почти на 24%. [92]
Кондиционирование воздуха вызвало различные сдвиги в демографии, особенно в Соединенных Штатах, начиная с 1970-х годов. В США уровень рождаемости был ниже весной, чем в другие сезоны до 1970-х годов, но с тех пор эта разница сократилась. [93] По состоянию на 2007 год в Солнечном поясе проживало 30% всего населения США, в то время как в начале 20-го века там проживало 24% американцев. [94] Более того, летний уровень смертности в США, который был выше в регионах, подверженных летней жаре, также выровнялся. [7]
Распространение использования кондиционирования воздуха выступает в качестве основного драйвера роста мирового спроса на электроэнергию. [95] Согласно отчету Международного энергетического агентства (МЭА) за 2018 год, было выявлено, что потребление энергии для охлаждения в Соединенных Штатах, в которых задействовано 328 миллионов американцев, превышает совокупное потребление энергии 4,4 миллиардами человек в Африке, Латинской Америке, на Ближнем Востоке и в Азии (исключая Китай). [8] Опрос 2020 года показал, что, по оценкам, 88% всех домохозяйств США используют кондиционеры, и этот показатель увеличивается до 93%, если рассматривать только дома, построенные в период с 2010 по 2020 год. [96]
Согласно отчету Международного энергетического агентства за 2018 год об эффективности кондиционирования воздуха, на охлаждение пространства, включая кондиционирование воздуха, в 2016 году во всем мире пришлось 2021 тераватт-часов потребления энергии, из которых около 99% приходилось на электроэнергию . [8] В отчете прогнозируется увеличение потребления электроэнергии из-за охлаждения пространства примерно до 6200 ТВт-ч к 2050 году, [8] [97] и что при нынешнем прогрессе выбросы парниковых газов, связанные с охлаждением пространства, удвоятся: с 1135 миллионов тонн (2016 год) до 2070 миллионов тонн. [8] Существуют определенные усилия по повышению энергоэффективности кондиционеров. Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП) и МЭА обнаружили, что если бы кондиционеры могли быть в два раза эффективнее, чем сейчас, то за 40 лет можно было бы сократить 460 миллиардов тонн парниковых газов. [98] ЮНЕП и МЭА также рекомендовали законодательство, направленное на сокращение использования гидрофторуглеродов , улучшение изоляции зданий и более устойчивые цепочки поставок продуктов питания с контролируемой температурой в будущем. [98]
Хладагенты также стали причиной и продолжают становиться причиной серьезных экологических проблем, включая истощение озонового слоя и изменение климата , поскольку несколько стран еще не ратифицировали Кигалийскую поправку о сокращении потребления и производства гидрофторуглеродов . [99] Хладагенты на основе ХФУ и ГХФУ, такие как R-12 и R-22 , соответственно, используемые в кондиционерах, нанесли ущерб озоновому слою , [100] а гидрофторуглеродные хладагенты, такие как R-410a и R-404a, которые были разработаны для замены ХФУ и ГХФУ, вместо этого усугубляют изменение климата . [101] Обе проблемы возникают из-за выброса хладагента в атмосферу, например, во время ремонтных работ. Хладагенты HFO , используемые в некотором, если не в большинстве нового оборудования, решают обе проблемы, имея нулевой потенциал повреждения озонового слоя (ODP) и гораздо более низкий потенциал глобального потепления (GWP) в одно- или двузначных числах по сравнению с трех- или четырехзначными числами у гидрофторуглеродов. [102]
Гидрофторуглероды повысили бы глобальную температуру примерно на 0,3–0,5 °C (0,5–0,9 °F) к 2100 году без поправки Кигали . С поправкой Кигали прогнозируется, что повышение глобальной температуры к 2100 году из-за гидрофторуглеродов составит около 0,06 °C (0,1 °F). [103]
Альтернативы постоянному кондиционированию воздуха включают пассивное охлаждение , пассивное солнечное охлаждение, естественную вентиляцию, использование жалюзи для уменьшения солнечного излучения, использование деревьев, архитектурных жалюзи, окон (и использование оконных покрытий) для уменьшения солнечного излучения . [ необходима ссылка ]
Социально-экономические группы с доходом домохозяйства ниже примерно 10 000 долларов, как правило, имеют низкую степень использования кондиционеров, [41] что увеличивает смертность, связанную с жарой. [7] Отсутствие охлаждения может быть опасным, так как районы с низким использованием кондиционеров коррелируют с более высокими показателями смертности и госпитализаций, связанных с жарой. [88] Прогнозируется, что преждевременная смертность в Нью-Йорке вырастет от 47% до 95% за 30 лет, причем наибольшему риску подвергаются малообеспеченные и уязвимые группы населения. [88] Исследования корреляции между смертностью и госпитализациями, связанными с жарой, и проживанием в местах с низким социально-экономическим положением можно проследить в Фениксе, Аризоне, [104] Гонконге, [105] Китае, [105] Японии, [106] и Италии. [107] [108] Кроме того, расходы на здравоохранение могут выступать в качестве еще одного препятствия, так как отсутствие частной медицинской страховки во время аномальной жары 2009 года в Австралии было связано с госпитализацией, связанной с жарой. [108]
Различия в социально-экономическом статусе и доступе к кондиционированию воздуха некоторые связывают с институционализированным расизмом , который приводит к ассоциации определенных маргинализированных сообществ с более низким экономическим статусом, более слабым здоровьем, проживанием в более жарких районах, выполнением физически тяжелого труда и ограниченным доступом к технологиям охлаждения, таким как кондиционирование воздуха. [108] Исследование, охватывающее Чикаго, Иллинойс, Детройт и Мичиган, показало, что чернокожие домохозяйства в два раза реже имеют центральные кондиционеры по сравнению с их белыми коллегами. [109] Особенно в городах, красная черта создает острова тепла , повышая температуру в определенных частях города. [108] Это связано с материалами, поглощающими тепло, строительными материалами и тротуарами, а также с отсутствием растительности и затенения. [110] Были инициативы, которые предоставляют решения по охлаждению для сообществ с низким доходом, такие как общественные охлаждающие пространства . [8] [110]
Здания, спроектированные с пассивным кондиционированием воздуха, как правило, менее затратны в строительстве и обслуживании, чем здания с обычными системами HVAC с более низким энергопотреблением. [111] Хотя десятки воздухообменов в час и охлаждение на десятки градусов могут быть достигнуты с помощью пассивных методов, необходимо учитывать специфический микроклимат на месте, что усложняет проектирование здания . [12]
Для повышения комфорта и снижения температуры в зданиях можно использовать множество методов. К ним относятся испарительное охлаждение, выборочное затенение, ветер, тепловая конвекция и хранение тепла. [112]
Пассивная вентиляция — это процесс подачи и удаления воздуха из внутреннего пространства без использования механических систем . Это относится к потоку наружного воздуха во внутреннее пространство в результате разницы давления, возникающей под действием естественных сил.
Существует два типа естественной вентиляции, происходящей в зданиях: вентиляция, приводимая в движение ветром , и вентиляция, приводимая в движение выталкивающей силой . Вентиляция, приводимая в движение ветром, возникает из-за разного давления, создаваемого ветром вокруг здания или сооружения, и отверстий, образующихся по периметру, которые затем позволяют потоку проходить через здание. Вентиляция, приводимая в движение выталкивающей силой, возникает в результате направленной силы выталкивания, которая возникает из-за разницы температур между внутренней и внешней средой. [113]
Поскольку внутренние теплопотери, создающие разницу температур между внутренним пространством и внешним миром, возникают в результате естественных процессов, включая тепло, выделяемое людьми, а воздействие ветра является переменным, здания с естественной вентиляцией иногда называют «дышащими зданиями».
Пассивное охлаждение — это подход к проектированию зданий, который фокусируется на контроле поступления тепла и рассеивании тепла в здании с целью улучшения теплового комфорта внутри помещения при низком или нулевом потреблении энергии. [114] [115] Этот подход работает либо путем предотвращения попадания тепла внутрь (предотвращение поступления тепла), либо путем отвода тепла из здания (естественное охлаждение). [116]
Естественное охлаждение использует энергию на месте, доступную из естественной среды, в сочетании с архитектурным дизайном компонентов здания (например, ограждающих конструкций здания ), а не механические системы для рассеивания тепла. [117] Таким образом, естественное охлаждение зависит не только от архитектурного дизайна здания, но и от того, как природные ресурсы места используются в качестве поглотителей тепла (т. е. все, что поглощает или рассеивает тепло). Примерами поглотителей тепла на месте являются верхние слои атмосферы (ночное небо), наружный воздух (ветер) и земля/почва.
Пассивное охлаждение является важным инструментом проектирования зданий с учетом адаптации к изменению климата , что снижает зависимость от энергоемкого кондиционирования воздуха в условиях потепления. [118] [119]
Пассивные дневные радиационные охлаждающие поверхности (PDRC) отражают поступающее солнечное излучение и тепло обратно в космическое пространство через инфракрасное окно для охлаждения в дневное время. Дневное радиационное охлаждение стало возможным благодаря возможности подавлять солнечное нагревание с помощью фотонных структур , которые появились в ходе исследования Рамана и др. (2014). [121] PDRC могут иметь различные формы, включая лакокрасочные покрытия и пленки, которые разработаны для обеспечения высокой отражательной способности и теплового излучения . [120] [122]
Применение PDRC на крышах и оболочках зданий продемонстрировало значительное снижение потребления энергии и затрат. [122] В пригородных односемейных жилых районах применение PDRC на крышах может потенциально снизить затраты на энергию на 26–46%. [123] Прогнозируется, что к 2025 году объем рынка PDRC для охлаждения внутренних помещений составит около 27 миллиардов долларов, а с 2010-х годов наблюдается всплеск исследований и разработок в этой области. [124] [125]
Ручные вентиляторы существуют с доисторических времен . Большие вентиляторы с человеческим приводом, встроенные в здания, включают панка .
Китайский изобретатель 2-го века Дин Хуань из династии Хань изобрел вращающийся вентилятор для кондиционирования воздуха с семью колесами диаметром 3 м (10 футов), которые приводились в действие вручную заключенными. [126] : 99, 151, 233 В 747 году император Сюаньцзун (годы правления 712–762) династии Тан (618–907) построил в императорском дворце Прохладный зал ( Liang Dian 涼殿), который Тан Юйлинь описывает как имеющий водяные колеса вентилятора для кондиционирования воздуха, а также восходящие струи воды из фонтанов. Во время последующей династии Сун (960–1279) письменные источники упоминают вращающийся вентилятор для кондиционирования воздуха как еще более широко используемый. [126] : 134, 151
В районах, где холодно ночью или зимой, используется аккумулирование тепла. Тепло может храниться в земле или каменной кладке; воздух протягивается мимо каменной кладки, чтобы нагреть или охладить ее. [13]
В районах, где зимой температура ночью опускается ниже нуля, снег и лед можно собирать и хранить в ледяных домах для последующего использования в целях охлаждения. [13] Эта технология существует на Ближнем Востоке уже более 3700 лет. [127] Сбор льда на открытом воздухе зимой, а также его транспортировка и хранение для использования летом практиковались богатыми европейцами в начале 1600-х годов, [16] и стали популярными в Европе и Америке к концу 1600-х годов. [128] Эта практика была заменена механическими ледогенераторами компрессионного цикла .
В сухом, жарком климате эффект испарительного охлаждения может быть использован путем размещения воды в воздухозаборнике, так что тяга втягивает воздух над водой, а затем в дом. По этой причине иногда говорят, что фонтан в архитектуре жаркого, засушливого климата подобен камину в архитектуре холодного климата. [11] Испарительное охлаждение также делает воздух более влажным, что может быть полезным в сухом пустынном климате. [129]
Испарительные охладители, как правило, чувствуют себя так, как будто они не работают во время высокой влажности, когда нет большого количества сухого воздуха, с которым охладители могут работать, чтобы сделать воздух максимально прохладным для жильцов. В отличие от других типов кондиционеров, испарительные охладители полагаются на то, что наружный воздух будет направляться через охлаждающие панели, которые охлаждают воздух, прежде чем он достигнет внутренней части дома через его систему воздуховодов; этот охлажденный наружный воздух должен иметь возможность выталкивать более теплый воздух внутри дома через выпускное отверстие, такое как открытая дверь или окно. [130]
В нашем методе я буду наблюдать то, что говорили наши предки; затем я покажу на собственном опыте, являются ли они правдой или ложью
Кондиционирование воздуха Корнелиуса Дреббеля.
{{cite press release}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )Хотя он на самом деле не изобрел кондиционирование воздуха и не применил первый задокументированный научный подход к его применению, Уиллису Кэрриеру приписывают интеграцию научного метода, инженерии и бизнеса этой развивающейся технологии и создание отрасли, которую мы сегодня знаем как кондиционирование воздуха.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ) CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )Пассивное дневное радиационное охлаждение (PDRC) рассеивает земное тепло в чрезвычайно холодном космическом пространстве без использования какой-либо энергии или загрязнения. Оно может одновременно смягчить две основные проблемы энергетического кризиса и глобального потепления.
