Кондиционирование воздуха , часто сокращенно называемое A/C (США) или air con (Великобритания), [1] — это процесс отвода тепла из замкнутого пространства для достижения более комфортной внутренней температуры (иногда называемый «комфортным охлаждением») и в некоторых случаях также строго контролируют влажность 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, обеспечивающих отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха (ОВКВ) . [4] Тепловые насосы во многом похожи на кондиционеры, но в них используется реверсивный клапан , позволяющий одновременно обогревать и охлаждать замкнутое пространство. [5]
Кондиционеры, в которых обычно используется парокомпрессионное охлаждение , различаются по размерам: от небольших блоков, используемых в транспортных средствах или отдельных помещениях, до массивных блоков, 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 было использовано 1,6 миллиарда кондиционеров. [8] Организация Объединенных Наций призвала сделать эту технологию более устойчивой для смягчения последствий изменения климата и использования альтернатив, таких как пассивное охлаждение, испарительное охлаждение , выборочное затенение, улавливатели ветра и лучшая теплоизоляция .
Кондиционер появился еще в доисторические времена. [9] Жилые помещения с двойными стенками и зазором между двумя стенами для обеспечения циркуляции воздуха были обнаружены в древнем городе Хамукар в современной Сирии . [10] В древних египетских зданиях также использовалось широкое разнообразие методов пассивного кондиционирования воздуха. [11] Они получили широкое распространение от Пиренейского полуострова через Северную Африку, Ближний Восток и Северную Индию. [12]
Пассивные методы оставались широко распространенными до 20 века, когда они вышли из моды и были заменены кондиционерами с электроприводом. Используя информацию инженерных исследований традиционных зданий, пассивные методы возрождаются и модифицируются для архитектурных проектов 21 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 значительный вклад в изменение климата из-за высокого потребления электроэнергии и потепления их непосредственного окружения в крупные города. [14] [15]
В 1558 году Джамбаттиста делла Порта в своей научно-популярной книге «Естественная магия» описал метод охлаждения льда до температур намного ниже точки замерзания путем смешивания его с нитратом калия (тогда называемым «селитрой») . [16] [17] [18] В 1620 году Корнелис Дреббель продемонстрировал «Превращение лета в зиму» для Джеймса I из Англии , охлаждая часть Большого зала Вестминстерского аббатства с помощью аппарата из корыт и чанов. [19] Современник Дреббеля Фрэнсис Бэкон , как и делла Порта, сторонник научной коммуникации , возможно, не присутствовал на демонстрации, но в книге, опубликованной позже в том же году, он описал это как «эксперимент искусственного замораживания» и сказал, что « Селитра (или, вернее, ее спирт) очень холодна, и поэтому селитра или соль, добавленные к снегу или льду, усиливают холод последнего, селитра, добавляя к холоду, а соль, придавая активность холоду снега. " [16]
В 1758 году Бенджамин Франклин и Джон Хэдли , профессор химии Кембриджского университета , провели эксперименты, применяя принцип испарения как средство быстрого охлаждения объекта. Франклин и Хэдли подтвердили, что испарение легколетучих жидкостей (таких как спирт и эфир ) можно использовать для снижения температуры объекта выше точки замерзания воды. В качестве объекта они экспериментировали с колбой ртутного термометра . Они использовали сильфоны, чтобы ускорить испарение . Они понизили температуру колбы термометра до -14 °C (7 °F), тогда 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 колбы термометра образовалась тонкая пленка льда и что толщина ледяной массы составляла около 6 мм ( 1 ⁄ 4 дюйма). когда они остановили эксперимент при достижении температуры -14 ° C (7 ° F). Франклин заключил: «Из этого эксперимента можно увидеть возможность заморозить человека до смерти в теплый летний день». [20]
В 19 веке произошло множество разработок в области технологий сжатия. В 1820 году английский ученый и изобретатель Майкл Фарадей обнаружил, что сжатие и сжижение аммиака может охладить воздух, если сжиженному аммиаку дать испариться. [21] В 1842 году врач из Флориды Джон Горри использовал компрессорную технологию для создания льда, который он использовал для охлаждения воздуха для своих пациентов в своей больнице в Апалачиколе, Флорида . Он надеялся, что со временем сможет использовать свою машину для производства льда для регулирования температуры в зданиях. [21] [22] Он предполагал 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 , а в 1855 году получил патент на холодильную систему с компрессией эфирного пара , которая производила три тонны льда в день. [25] В 1860 году Харрисон основал вторую ледовую компанию. Позже он вступил в дебаты по поводу конкуренции с преимуществом Америки в продаже охлажденной на льду говядины в Соединенное Королевство. [25]
Электричество сделало возможным разработку 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 компании 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 оценивался в 18,6 миллиарда долларов. [31] [32]
В 1906 году Стюарт Крамер из Шарлотты, Северная Каролина , изучал способы повышения влажности воздуха 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 «кондиционированию воды», тогда известному процессу облегчения обработки текстиля. [33] Он объединил влажность с вентиляцией, чтобы «кондиционировать» и изменять воздух на фабриках; таким образом, контролируя влажность, необходимую на текстильных предприятиях. Уиллис Кэрриер принял этот термин и включил его в название своей компании. [34]
Бытовое кондиционирование воздуха вскоре стало популярным. В 1914 году первый бытовой кондиционер был установлен в Миннеаполисе в доме Чарльза Гилберта Гейтса . Однако возможно, что значительное устройство (около 2,1 м × 1,8 м × 6,1 м; 7 футов × 6 футов × 20 футов) никогда не использовалось, поскольку дом оставался необитаемым [21] (Гейтс умер уже в октябре 1913).
В 1931 году Х.Х. Шульц и Дж. К. Шерман разработали то, что впоследствии стало наиболее распространенным типом индивидуального комнатного кондиционера: кондиционер, предназначенный 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) . Год спустя на продажу были выставлены первые системы кондиционирования воздуха для автомобилей . [35] Chrysler Motors представила первый практичный полупортативный кондиционер в 1935 году, [36] а Packard стала первым производителем автомобилей, предложившим кондиционер в своих автомобилях в 1939 году. [37]
Инновации второй половины 20-го века позволили более повсеместно использовать кондиционеры. В 1945 году Роберт Шерман из Линна, штат 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 годовой доход семьи, как правило, превышает 10 000 долларов США. [41] Рост мирового ВВП объясняет около 85% увеличения внедрения кондиционеров к 2050 году, а остальные 15% можно объяснить изменением климата . [41]
По состоянию на 2016 год во всем мире использовалось около 1,6 миллиарда кондиционеров, более половины из которых — в Китае и США , а общая охлаждающая мощность составила 11 675 гигаватт. [8] [42] Международное энергетическое агентство прогнозировало в 2018 году, что количество единиц кондиционирования воздуха вырастет примерно до 4 миллиардов единиц к 2050 году, а общая охлаждающая мощность вырастет примерно до 23000 ГВт, при этом наибольший рост произойдет в Индии и Китае . [8] В период с 1995 по 2004 год доля городских домохозяйств в Китае, оснащенных кондиционерами, увеличилась с 8% до 70%. [43] По состоянию на 2015 год почти 100 миллионов домов, или около 87% домохозяйств в США, имели системы кондиционирования воздуха. [44] По оценкам, в 2019 году 90% новых домов на одну семью, построенных в США, были оборудованы кондиционерами (от 99% на юге до 62% на западе ). [45] [46]
Охлаждение в традиционных системах кондиционирования воздуха осуществляется с использованием цикла сжатия пара, который использует принудительную циркуляцию хладагента и фазовый переход между газом и жидкостью для передачи тепла. [47] [48] Цикл сжатия пара может происходить внутри единого или комплексного оборудования; или внутри чиллера, который подключен к оконечному охлаждающему оборудованию (например, к фанкойлу в воздухообрабатывающем устройстве) на стороне испарителя и к оборудованию для отвода тепла, такому как градирня, на стороне конденсатора. Воздушный тепловой насос имеет много общих компонентов с системой кондиционирования воздуха, но включает в себя реверсивный клапан , который позволяет использовать агрегат как для обогрева, так и для охлаждения помещения. [49]
Оборудование для кондиционирования воздуха снизит абсолютную влажность воздуха, обрабатываемого системой, если поверхность змеевика испарителя значительно холоднее точки росы окружающего воздуха. Кондиционер, предназначенный для жилого помещения, обычно обеспечивает относительную влажность в нем от 30% до 60%. [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. В осушителе используется тот же цикл охлаждения , но испаритель и конденсатор расположены на одном и том же воздушном пути; воздух сначала проходит через змеевик испарителя, где он охлаждается [51] и осушается, а затем проходит через змеевик конденсатора, где он снова нагревается, а затем возвращается обратно в помещение. [ нужна ссылка ]
Иногда можно выбрать естественное охлаждение , если внешний воздух холоднее внутреннего. Поэтому нет необходимости использовать компрессор, что приводит к высокой эффективности охлаждения в это время. Это также можно совместить с сезонным хранением тепловой энергии . [52]
Некоторые системы кондиционирования воздуха могут менять цикл охлаждения и действовать как тепловой насос с источником воздуха , таким образом нагревая, а не охлаждая внутреннюю среду. Их также часто называют «кондиционерами обратного цикла». Тепловой насос значительно более энергоэффективен, чем электрическое сопротивление , поскольку он переносит энергию из воздуха или грунтовых вод в обогреваемое помещение, а тепло — из приобретенной электрической энергии. Когда тепловой насос находится в режиме обогрева, внутренний змеевик испарителя меняет свою роль и становится змеевиком конденсатора, производя тепло. Наружный конденсаторный блок также меняет роль испарителя и выпускает холодный воздух (более холодный, чем окружающий наружный воздух).
Большинство воздушных тепловых насосов становятся менее эффективными при температуре наружного воздуха ниже 4 °C или 40 °F. [53] Частично это 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 змеевик наружного испарителя обратно на змеевик конденсатора для нагрева и размораживания. Поэтому некоторые системы тепловых насосов будут иметь электрический нагрев сопротивления в воздушном тракте помещения, который активируется только в этом режиме, чтобы компенсировать временное охлаждение воздуха в помещении, которое в противном случае было бы неудобно зимой.
Новые модели имеют улучшенные характеристики в холодную погоду: эффективная теплопроизводительность снижается 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 в холодную погоду, что потребует выполнения цикла размораживания. .
Проблема обледенения становится гораздо более серьезной при более низких температурах наружного воздуха, поэтому тепловые насосы иногда устанавливаются в тандеме с более традиционными видами отопления, такими как электрический обогреватель, природный газ , мазут , дровяной камин или центральное отопление . который используется вместо или в дополнение к тепловому насосу при более суровых зимних температурах. В этом случае тепловой насос эффективно используется при более мягких температурах, а система переключается на обычный источник тепла, когда температура наружного воздуха ниже.
Коэффициент производительности (COP) системы кондиционирования воздуха представляет собой соотношение полезного обогрева или охлаждения к требуемой работе. [56] [57] Более высокий COP означает более низкие эксплуатационные расходы. COP 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 на графике или усредняется в зависимости от ожидаемых условий. [58] Мощность оборудования кондиционирования воздуха в США часто описывается в терминах « тонны охлаждения », каждая из которых примерно равна охлаждающей мощности одной короткой тонны (2000 фунтов (910 кг) льда, тающего за 24 часа. Значение равно 12 000 БТЕ в час, или 3517 Вт . [59] Мощность систем центрального кондиционирования в жилых домах обычно составляет от 1 до 5 тонн (от 3,5 до 18 кВт ) .
Эффективность кондиционеров часто оценивается по сезонному коэффициенту энергоэффективности (SEER), который определяется Институтом кондиционирования, отопления и охлаждения в стандарте AHRI 210/240 2008 года « Рейтинг эффективности унитарного кондиционирования воздуха и источника воздуха». Теплонасосное оборудование . [60] Аналогичным стандартом является Европейский сезонный коэффициент энергоэффективности (ESEER). [ нужна ссылка ]
На эффективность сильно влияет влажность 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]
В контроллере этого типа используется инфракрасный светодиод для передачи команд с пульта дистанционного управления на кондиционер. Выход инфракрасного светодиода (как и любого инфракрасного пульта дистанционного управления) невидим для человеческого глаза, поскольку его длина волны находится за пределами диапазона видимого света (940 нм). Этот контроллер обычно используется в кондиционерах с мини-сплит-системой, поскольку он прост и портативен. Некоторые оконные и канальные центральные кондиционеры также используют его.
Проводной контроллер, также называемый «проводным термостатом», представляет собой устройство, которое управляет кондиционером, включая или выключая нагрев или охлаждение. Он использует различные датчики для измерения температуры и выполнения операций управления. В механических термостатах обычно используются биметаллические полоски , преобразующие изменение температуры в механическое смещение для управления кондиционером. Вместо этого в электронных термостатах используется 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 жестко подключаются непосредственно к кондиционеру, что исключает необходимость в батареях.
* где типовая мощность указана в киловаттах следующим образом:
Бесканальные системы (часто мини-сплит, хотя сейчас существуют канальные мини-сплит-системы) обычно подают кондиционированный и нагретый воздух в одну или несколько комнат здания без воздуховодов и децентрализованно. [62] Мультизональные или мультисплит-системы являются распространенным применением бесканальных систем и позволяют кондиционировать до восьми помещений (зон или мест) независимо друг от друга, каждая со своим внутренним блоком и одновременно с одним наружным блоком.
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 развитие. Модель Mitsubishi стала первым кондиционером с поперечноточным вентилятором . [63] [64] [65] В 1969 году в США был продан первый мини-сплит-кондиционер. [66] Многозонные бесканальные системы были изобретены компанией Daikin в 1973 году, а системы с переменным расходом 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 кондиционера устраняют необходимость в больших воздуховодах для холодного воздуха, кондиционерах и охладителях; вместо этого холодный хладагент транспортируется по трубам гораздо меньшего размера к внутренним блокам в кондиционируемых помещениях, что позволяет освободить меньше места над подвесными потолками и снизить воздействие на конструкцию, а также обеспечивает более индивидуальный и независимый контроль температуры в помещениях. Наружные и внутренние блоки могут быть распределены по зданию. [68] Внутренние блоки с переменным расходом хладагента также можно отключать по отдельности в неиспользуемых помещениях. [ нужна цитата ] Более низкая пусковая мощность инверторных компрессоров постоянного тока VRF и присущие им требования к питанию постоянным током также позволяют работать тепловым насосам VRF, работающим на солнечной энергии, с использованием солнечных панелей, обеспечивающих постоянный ток.
Центральные кондиционеры сплит-системы состоят из двух теплообменников : внешнего блока ( конденсатора ), от которого тепло отводится в окружающую среду, и внутреннего теплообменника ( испарителя , или фанкойла, FCU), в котором между собой циркулирует хладагент по трубопроводу. эти двое. Затем FCU подключается к охлаждаемым помещениям с помощью вентиляционных каналов . [69]
Крупные установки центрального охлаждения могут использовать промежуточный хладагент , такой как охлажденная вода , закачиваемая в кондиционеры или фанкойлы рядом или в охлаждаемых помещениях, которые затем направляют или доставляют холодный воздух в кондиционируемые помещения, а не направляют холодный воздух непосредственно в эти помещения. помещений от завода, что не делается из-за низкой плотности и теплоемкости воздуха, что потребовало бы непрактично больших воздуховодов. Охлажденная вода охлаждается чиллерами на станции, которая использует холодильный цикл для охлаждения воды, часто передавая свое тепло в атмосферу даже в чиллерах с жидкостным охлаждением за счет использования градирен . Чиллеры могут иметь воздушное или жидкостное охлаждение. [ нужна ссылка ]
Переносная система имеет внутренний блок на колесах, соединенный с наружным блоком посредством гибких труб, аналогично стационарно установленному блоку (например, бесканальному сплит-системе кондиционирования).
Шланговые системы, которые могут быть моноблочными или «воздух-воздух» , выводятся наружу через воздуховоды. Моноблочный тип собирает воду в ведро или поддон и останавливается, когда он заполняется . Тип « воздух -воздух» повторно испаряет воду, сбрасывает ее через канальный шланг и может работать непрерывно. Такие портативные устройства всасывают воздух из помещения и выбрасывают его наружу через один воздуховод, что отрицательно влияет на общую эффективность охлаждения.
Многие портативные кондиционеры оснащены функцией обогрева и осушения. [70]
Комплектный оконечный кондиционер (PTAC), настенные и оконные кондиционеры аналогичны. Эти агрегаты устанавливаются на оконную раму или на проем в стене. Устройство обычно имеет внутреннюю перегородку, разделяющую его внутреннюю и наружную стороны, которые содержат конденсатор и испаритель устройства соответственно. Системы PTAC могут быть адаптированы для обогрева в холодную погоду либо напрямую с использованием электрической полосы, газа или других нагревателей, либо путем изменения направления потока хладагента для обогрева внутреннего пространства и отбора тепла из наружного воздуха, превращая кондиционер в тепловой насос . Их можно установить в проеме стены с помощью специального гильзы на стене и специальной решетки, заподлицо со стеной, а оконные кондиционеры также можно установить в окно, но без специальной решетки. [71]
Комплектные кондиционеры (также известные как автономные блоки) [72] [73] представляют собой центральные системы, которые объединяют в одном корпусе все компоненты разделенной центральной системы и доставляют воздух, возможно, через воздуховоды, в охлаждаемые помещения. . В зависимости от конструкции они могут располагаться снаружи или внутри помещения, на крыше ( крышные агрегаты ), [74] [75] 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] [76] [77] [78] [79] [80]
Этот компрессор состоит из картера , коленчатого вала , поршневого штока , поршня , поршневого кольца , головки блока цилиндров и клапанов. [ нужна ссылка ]
В этом компрессоре для сжатия хладагента используются две чередующиеся спирали. [81] он состоит из одного неподвижного и одного вращающегося свитков. Этот тип компрессора более эффективен, поскольку в нем на 70 процентов меньше движущихся частей, чем в поршневом компрессоре. [ нужна ссылка ]
В этом компрессоре для сжатия газа используются два очень тесно сцепленных спиральных ротора. Газ поступает со стороны всасывания и проходит через резьбу при вращении винтов. Зацепляющиеся роторы проталкивают газ через компрессор, и газ выходит через конец винтов. Рабочая зона представляет собой межкулачковый объем между ведущим и ведомым роторами. Он больше на впускном конце и уменьшается по длине роторов до выпускного отверстия. Это изменение громкости и есть сжатие. [ нужна ссылка ]
Существует несколько способов регулирования холодопроизводительности в системах охлаждения или кондиционирования и отопления . Наиболее распространенными в кондиционировании воздуха являются: циклическое включение-выключение, байпас горячего газа, использование или отсутствие впрыска жидкости, конфигурации коллекторов с несколькими компрессорами, механическая модуляция (также называемая цифровой) и инверторная технология. [ нужна ссылка ]
Байпас горячего газа включает впрыск некоторого количества газа со стороны нагнетания на сторону всасывания. Компрессор будет продолжать работать на той же скорости, но из-за байпаса массовый расход хладагента , циркулирующего в системе, снижается, а, следовательно, и холодопроизводительность. Это, естественно, приводит к бесполезной работе компрессора в периоды работы байпаса. Диапазон снижения мощности варьируется от 0 до 100%. [82]
В систему можно установить несколько компрессоров для обеспечения пиковой холодопроизводительности. Каждый компрессор может работать или не работать в зависимости от холодопроизводительности агрегата. Диапазон снижения мощности составляет 0/33/66 или 100% для конфигурации трио и 0/50 или 100% для тандемной конфигурации. [ нужна ссылка ]
Эта внутренняя механическая модуляция производительности основана на периодическом процессе сжатия с помощью регулирующего клапана , при этом 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 отличный диапазон регулирования – от 10 до 100% холодопроизводительности, шнеки с механической модуляцией имеют высокое энергопотребление , поскольку двигатель постоянно работает. [ нужна ссылка ]
В этой системе используется частотно-регулируемый привод (также называемый инвертором) для управления скоростью компрессора. Расход хладагента изменяется за счет изменения скорости компрессора. Коэффициент снижения зависит от конфигурации системы и производителя. Он модулирует от 15 или 25% до 100% при полной мощности с помощью одного инвертора от 12 до 100% с помощью гибридного тандема. Этот метод является наиболее эффективным способом регулирования мощности кондиционера. Это до 58% более эффективно, чем система с фиксированной скоростью. [ нужна ссылка ]
В жаркую погоду кондиционирование воздуха может предотвратить тепловой удар , обезвоживание из-за чрезмерного потоотделения и нарушение электролитного баланса , почечную недостаточность [8], а также другие проблемы, связанные с гипертермией . [83] Волны жары являются наиболее смертоносным типом погодных явлений в Соединенных Штатах. [84] [85] Исследование 2020 года показало, что районы с более низким использованием кондиционирования воздуха коррелируют с более высокими показателями смертности и госпитализаций, связанных с жарой. [86] Волна жары во Франции в августе 2003 года привела к гибели около 15 000 человек, причем 80% жертв были старше 75 лет. В ответ французское правительство потребовало, чтобы во всех домах престарелых во время периодов жары во всех домах престарелых была хотя бы одна комната с кондиционером с температурой 25 °C (77 °F) на этаже. [8]
Кондиционирование воздуха (включая фильтрацию, увлажнение, охлаждение и дезинфекцию) можно использовать для создания чистой, безопасной, гипоаллергенной атмосферы в операционных залах больниц и других помещениях, где надлежащая атмосфера имеет решающее значение для безопасности и благополучия пациентов. Иногда его рекомендуют для домашнего использования людям, страдающим аллергией , особенно плесенью . [87] [88] Однако плохо обслуживаемые водяные градирни могут способствовать росту и распространению микроорганизмов, таких как Legionella pneumophila , инфекционного агента, вызывающего болезнь легионеров . Пока градирня содержится в чистоте (обычно посредством обработки хлором ), этих опасностей для здоровья можно избежать или уменьшить. В штате Нью-Йорк систематизированы требования к регистрации, техническому обслуживанию и испытаниям градирен на предмет защиты от легионеллы . [89]
Изначально разработанное для целевых отраслей, таких как пресса, а также крупные фабрики, изобретение быстро распространилось среди государственных учреждений и администраций благодаря исследованиям, в которых утверждалось, что производительность повышается почти на 24% в местах, оборудованных кондиционерами. [90]
Кондиционирование воздуха вызвало различные сдвиги в демографии, особенно в Соединенных Штатах, начиная с 1970-х годов. В США уровень рождаемости весной был ниже, чем в другие сезоны, до 1970-х годов, но с тех пор эта разница уменьшилась. [91] По состоянию на 2007 год в Солнечном поясе проживало 30% всего населения США, тогда как в начале 20-го века в нем проживало 24% американцев. [92] Более того, уровень летней смертности в США, который был выше в регионах, подверженных летней жаре, также выровнялся. [7]
Распространение использования систем кондиционирования воздуха выступает в качестве основного фактора роста глобального спроса на электроэнергию. [93] Согласно отчету Международного энергетического агентства (МЭА) за 2018 год, выяснилось, что потребление энергии для охлаждения в Соединенных Штатах, в котором участвуют 328 миллионов американцев, превышает совокупное потребление энергии 4,4 миллиарда человек в Африке и Латинской Америке. , Ближний Восток и Азия (исключая Китай). [8] Опрос 2020 года показал, что примерно 88% всех домохозяйств в США используют кондиционер, и этот показатель увеличивается до 93%, если рассматривать только дома, построенные в период с 2010 по 2020 год. [94]
Согласно отчету Международного энергетического агентства за 2018 год об эффективности кондиционирования воздуха , в 2016 году на охлаждение помещений, включая кондиционирование воздуха, приходилось 2021 тераватт-час потребления энергии во всем мире, причем около 99% приходилось на электроэнергию. [8] В докладе прогнозируется увеличение потребления электроэнергии из-за космического охлаждения примерно до 6200 ТВт-ч к 2050 году, [8] [95] и что с учетом наблюдаемого в настоящее время прогресса выбросы парниковых газов , связанные с космическим охлаждением, удвоятся: 1,135 миллионов тонн ( 2016) до 2,070 млн тонн. [8] Есть определенные усилия по повышению энергоэффективности кондиционеров. Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП) и МЭА пришли к выводу, что если бы кондиционеры были вдвое эффективнее, чем сейчас, то за 40 лет можно было бы сократить выбросы парниковых газов на 460 миллиардов тонн. [96] ЮНЕП и МЭА также рекомендовали принять законы, направленные на сокращение использования гидрофторуглеродов , улучшение изоляции зданий и создание более устойчивых цепочек поставок продуктов питания с контролируемой температурой в будущем. [96]
Хладагенты также вызывали и продолжают вызывать серьезные экологические проблемы, включая разрушение озонового слоя и изменение климата , поскольку несколько стран еще не ратифицировали Кигалийскую поправку о сокращении потребления и производства гидрофторуглеродов . [97] Хладагенты ХФУ и ГХФУ, такие как R-12 и R-22 соответственно, используемые в кондиционерах, нанесли ущерб озоновому слою , [98] а гидрофторуглеродные хладагенты, такие как R-410a и R-404a, которые были разработаны замены ХФУ и ГХФУ, вместо этого усугубляют изменение климата . [99] Обе проблемы возникают из-за выброса хладагента в атмосферу, например, во время ремонта. Хладагенты HFO , используемые в некотором, если не в большинстве, новом оборудовании, решают обе проблемы: потенциал повреждения озоном (ODP) равен нулю, а потенциал глобального потепления (GWP) гораздо ниже, выражаясь одно- или двузначными цифрами по сравнению с трех- или четырехзначными значениями гидрофторуглеродов. . [100]
Без Кигалийской поправки гидрофторуглероды подняли бы глобальную температуру примерно на 0,3–0,5 °C (0,5–0,9 °F) к 2100 году . Согласно Кигалийской поправке , повышение глобальной температуры к 2100 году из-за гидрофторуглеродов прогнозируется примерно на 0,06 °C (0,1 °F). [101]
Альтернативы постоянному кондиционированию воздуха включают пассивное охлаждение , пассивное солнечное охлаждение, естественную вентиляцию, рабочие шторы для уменьшения солнечного притока, использование деревьев, архитектурных штор, окон (и использование оконных покрытий) для уменьшения солнечного притока . [ нужна ссылка ]
Социально-экономические группы с семейным доходом ниже 10 000 долларов США, как правило, мало используют кондиционеры, [41] что увеличивает смертность, связанную с жарой. [7] Отсутствие охлаждения может быть опасным, поскольку в районах с более низким использованием кондиционирования воздуха коррелируется более высокий уровень смертности, связанной с жарой, и госпитализаций. [86] По прогнозам, преждевременная смертность в Нью-Йорке вырастет на 47–95% через 30 лет, при этом наибольшему риску подвергаются малообеспеченные и уязвимые группы населения. [86] Исследования корреляции между смертностью, связанной с жарой, госпитализациями и проживанием в регионах с низким социально-экономическим статусом можно проследить в Финиксе, Аризона, [102] Гонконге, [103] Китае, [103] Японии, [104] и Италии. [105] [106] Кроме того, расходы на здравоохранение могут выступать в качестве еще одного барьера, поскольку отсутствие частной медицинской страховки во время жары 2009 года в Австралии было связано с госпитализацией из-за жары. [106]
Различия в социально-экономическом статусе и доступе к кондиционированию воздуха некоторые связывают с институционализированным расизмом , который приводит к объединению определенных маргинальных сообществ с более низким экономическим статусом, плохим здоровьем, проживающих в более жарких районах, занимающихся физически тяжелым трудом и имеющих ограниченный доступ к технологии охлаждения, такие как кондиционирование воздуха. [106] Исследование, проведенное в Чикаго, Иллинойсе, Детройте и Мичигане, показало, что чернокожие домохозяйства в два раза реже имеют центральные кондиционеры по сравнению с их белыми коллегами. [107] Красная черта, особенно в городах, создает острова тепла , повышая температуру в определенных частях города. [106] Это связано с теплопоглощающими строительными материалами и дорожными покрытиями, а также с отсутствием растительности и тени. [108] Были инициативы, которые предоставляют решения по охлаждению для сообществ с низкими доходами, такие как общественные охлаждающие помещения . [8] [108]
Здания, спроектированные с пассивным кондиционированием воздуха, как правило, дешевле в строительстве и обслуживании, чем здания с традиционными системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха с более низкими энергозатратами. [109] Хотя пассивными методами можно достичь десятков воздухообменов в час и охлаждения на десятки градусов, необходимо учитывать микроклимат конкретного объекта, что усложняет проектирование зданий . [12]
Для повышения комфорта и снижения температуры в зданиях можно использовать множество методов. К ним относятся испарительное охлаждение, выборочное затенение, ветер, тепловая конвекция и накопление тепла. [110]
Пассивная вентиляция — это процесс подачи и удаления воздуха из помещения без использования механических систем . Это относится к потоку наружного воздуха во внутреннее пространство в результате разницы давлений , возникающей под действием природных сил.
В зданиях существует два типа естественной вентиляции : ветровая и поплавковая . Вентиляция с приводом от ветра возникает из-за различного давления, создаваемого ветром вокруг здания или сооружения, и отверстий, образующихся по периметру, которые затем пропускают поток через здание. Вентиляция, основанная на плавучести, возникает в результате направленной плавучей силы, возникающей в результате разницы температур внутри и снаружи. [111]
Поскольку внутренние приросты тепла, которые создают разницу температур внутри и снаружи, создаются естественными процессами, включая тепло от людей, а воздействие ветра непостоянно, здания с естественной вентиляцией иногда называют «дышащими зданиями».Пассивное охлаждение — это подход к проектированию здания, который фокусируется на контроле притока тепла и рассеивании тепла в здании с целью улучшения теплового комфорта в помещении при низком потреблении энергии или вообще без него. [112] [113] Этот подход работает либо за счет предотвращения проникновения тепла внутрь помещения (предотвращение притока тепла), либо за счет отвода тепла из здания (естественное охлаждение). [114]
При естественном охлаждении используется энергия на месте, полученная из природной среды, в сочетании с архитектурным дизайном компонентов здания (например, ограждающей конструкции ), а не механические системы для рассеивания тепла. [115] Таким образом, естественное охлаждение зависит не только от архитектурного дизайна здания, но и от того, как природные ресурсы объекта используются в качестве теплоотводов (т.е. всего, что поглощает или рассеивает тепло). Примерами локальных поглотителей тепла являются верхние слои атмосферы (ночное небо), наружный воздух (ветер) и земля/почва.
Пассивное охлаждение является важным инструментом проектирования зданий для адаптации к изменению климата , снижая зависимость от энергоемкого кондиционирования воздуха в условиях потепления. [116] [117]Поверхности пассивного дневного радиационного охлаждения (PDRC) отражают поступающую солнечную радиацию и тепло обратно в космическое пространство через инфракрасное окно для охлаждения в дневное время. Радиационное охлаждение в дневное время стало возможным благодаря возможности подавлять солнечный нагрев с помощью фотонных структур , которая появилась в результате исследования Рамана и др. (2014). [119] PDRC могут иметь различные формы, включая лакокрасочные покрытия и пленки, которые имеют высокий коэффициент отражения солнечной энергии и теплового излучения . [118] [120]
Применение PDRC на крышах и ограждающих конструкциях зданий продемонстрировало значительное снижение энергопотребления и затрат. [120] В пригородных жилых районах на одну семью применение PDRC на крышах потенциально может снизить затраты на электроэнергию на 26–46%. [121] По прогнозам, к 2025 году объем рынка систем охлаждения помещений в PDRC составит около 27 миллиардов долларов, а с 2010-х годов в них произошел всплеск исследований и разработок. [122] [123]
Ручные веера существовали с доисторических времен . К большим вентиляторам с приводом от человека, встроенным в здания, относятся пунка .
Китайский изобретатель II века Дин Хуан из династии Хань изобрел вращающийся вентилятор для кондиционирования воздуха с семью колесами диаметром 3 м (10 футов), приводимый в движение заключенными вручную. [124] : 99, 151, 233 В 747 году император Сюаньцзун (годы правления 712–762) из династии Тан (618–907) приказал построить в императорском дворце Холодный зал ( Лян Дянь 涼殿), который Тан Юйлинь описывается как наличие крыльчатки вентилятора с водяным приводом для кондиционирования воздуха, а также поднимающихся струй воды из фонтанов. Во времена последующей династии Сун (960–1279) в письменных источниках упоминалось, что роторный вентилятор кондиционера использовался еще более широко. [124] : 134, 151
В районах, где ночью или зимой холодно, используются накопители тепла. Тепло может храниться в земле или каменной кладке; воздух проходит мимо каменной кладки, чтобы нагреть или охладить ее. [13]
В районах, где ночью зимой ниже нуля, снег и лед можно собирать и хранить в ледниках для последующего использования для охлаждения. [13] Этой технике на Ближнем Востоке более 3700 лет. [125] 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. [126] Эта практика была заменена механическими льдогенераторами с циклом сжатия .
В сухом и жарком климате эффект испарительного охлаждения можно использовать, помещая воду в воздухозаборник так, чтобы тяга втягивала воздух над водой, а затем в дом. По этой причине иногда говорят, что фонтан в архитектуре жаркого и засушливого климата подобен камину в архитектуре холодного климата. [11] Испарительное охлаждение также делает воздух более влажным, что может быть полезно в сухом пустынном климате. [127]
Испарительные охладители имеют тенденцию чувствовать себя так, как будто они не работают в периоды высокой влажности, когда не так много 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 направляется через охлаждающие подушки, которые охлаждают воздух до того, как он достигнет внутренней части дома через систему воздуховодов; этому охлажденному наружному воздуху необходимо позволить вытеснять более теплый воздух внутри дома через вытяжное отверстие, например, открытую дверь или окно. [128]
В нашем методе я буду следовать тому, что говорили наши предки; тогда я покажу на своем опыте, истинны они или ложны
Кондиционер Корнелиус Дреббель.
{{cite press release}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )Хотя на самом деле он не изобрел кондиционер и не использовал первый задокументированный научный подход к его применению, Уиллису Кэрриеру приписывают интеграцию научного метода, техники и бизнеса этой развивающейся технологии и создание отрасли, которую мы знаем сегодня как воздуходувку. кондиционирование.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в качестве заголовка ( ссылка ) CS1 maint: бот: статус исходного URL неизвестен ( ссылка ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )Пассивное дневное радиационное охлаждение (PDRC) рассеивает земное тепло в чрезвычайно холодное космическое пространство без использования каких-либо энергозатрат и загрязнения окружающей среды. У него есть потенциал одновременно смягчить две основные проблемы: энергетический кризис и глобальное потепление.
Однако за последние три года публикации по радиационному охлаждению и контролю солнечной энергии стали самыми многочисленными и, следовательно, представляют собой многообещающие технологии в этой области.