La climatización es la técnica de modificación, control y regulación de las condiciones climáticas ( temperatura , humedad , niveles de polvo , etc. ) de un interior por motivos de confort (coches, oficinas, viviendas) o por motivos técnicos ( laboratorios médicos , fabricación de componentes electrónicos locales, quirófanos , salas de informática, etc. ).
Los parámetros modificados, controlados o regulados son:
Algunas de las técnicas utilizadas son viejos y otros no (invención de la nevera en el XIX XX siglo, por ejemplo); Los sistemas modernos tienden a combinarlos en un mismo dispositivo denominado aire acondicionado reversible (refrigeración en verano y calefacción en invierno).
En 2018, según la Agencia Internacional de Energía , los aires acondicionados y ventiladores eléctricos ya consumen alrededor de una quinta parte de la electricidad total de los edificios en todo el mundo, o el 10% del consumo total de electricidad, y se espera un fuerte aumento para 2050 cuando a este ritmo " refrigeración ”podría convertirse en la principal fuente de consumo de electricidad.
Los romanos usaban un túnel subterráneo para introducir aire exterior, que era un acondicionador de aire real, ya que el aire que entraba a la casa era invariablemente alrededor de 10-12 ° C en invierno y verano (principio del pozo canadiense ).
Algunas cuevas o lugares particularmente fríos (cuevas, arroyos de montaña, glaciares, etc. ) se utilizan para almacenar alimentos o bloques de hielo durante varios meses.
Desde el XVI º siglo sistemas naturales Actualizar, obtenido por el escurrimiento de agua, causando la evaporación disminuye la temperatura del aire. En la época de Luis XIV, el hielo se transportaba desde los glaciares, protegido por una capa aislante de paja.
Final de la XVIII ª siglo, redes de climatización se crean con bloques de hielo incrustado en redes, incluso con ventilación forzada. Antes de la invención de los refrigeradores, el hielo se almacenaba en una hielera (por ejemplo, se cortaba en invierno en estanques). Era un agujero cerrado por una cubierta aislante en la que alternamos capas de paja o aserrín y hielo. A medida que desciende el aire frío y sube el calor, con el orificio de llenado en la parte superior, la temperatura se mantiene baja y parte del hielo, así almacenado, se conserva hasta el verano. El concepto de confort veraniego es todavía muy antiguo con diseños arquitectónicos que favorecen las corrientes de aire y protegen las zonas expuestas a la luz solar directa del calor.
En 1755 , el escocés William Cullen obtuvo un poco de hielo introduciendo vapor de agua bajo una "campana de vacío".
El primer intento real de uso industrial de la refrigeración se remonta a 1851 cuando James Harrison , un impresor escocés que emigró a Australia, compró una empresa de periódicos. Mientras limpia los personajes con éter, se da cuenta de que el líquido enfría fuertemente el metal a medida que se evapora. A Harrison se le ocurrió la idea de comprimir el éter gaseoso con una bomba para convertirlo en líquido, y luego dejar que el éter líquido volviera al estado gaseoso provocando el enfriamiento. Está implementando este sistema en una fábrica de cerveza australiana donde se bombea gas de éter frío a través de tuberías que circulan por el edificio. Harrison usa el mismo principio para hacer hielo haciendo pasar tuberías enfriadas por gas éter a través del agua. Pero se declaró en quiebra en 1860 porque el hielo natural que luego se importaba por barco desde Estados Unidos todavía era más barato.
Un poco más tarde avanzando la tecnología comenzamos a fabricar sistemas de refrigeración sencillos operando con compresores de pistón (como nuestros frigoríficos actuales) principalmente en transporte marítimo, este último trabajado con éter que posteriormente fue sustituido por de amoniaco que proporciona un mejor rendimiento .
En 1857 , Ferdinand Carré inventó el refrigerador de agua y amoníaco. Él patentó su invento en los Estados Unidos y en la Feria Mundial de 1862 . Esto no tuvo éxito en el mercado nacional, pero tuvo éxito en las cervecerías para mantener las bebidas frescas. El frigorífico podría producir entre 12 y 100 kg de hielo, según el modelo.
El aire acondicionado moderno fue inventado por Willis H. Carrier en 1902 con un sistema de refrigeración centrífuga con un compresor central para reducir su tamaño (no se dará a conocer al público hasta 1925 cuando el Sr. Carrier persuade a Paramount para instalarlo durante la construcción del Rivoli Theatre en Times Square . La leyenda dice que los éxitos de taquilla del verano datan de esta época porque los neoyorquinos, a partir de entonces, se instalarán en los cines con aire acondicionado durante los calurosos días de verano).
En 2017 , según la AIE , alrededor de 1.600 millones de aires acondicionados estaban en funcionamiento en todo el mundo, de los cuales alrededor del 50% estaban en Estados Unidos y China.
Con el calentamiento global y el desarrollo económico, la cantidad de acondicionadores de aire está aumentando: alrededor de 135 millones de unidades vendidas por año en 2017 (tres veces más que en 1990 ), incluidas 53 millones de unidades en China, mientras que en India 4 solo el% de los hogares están equipados. Se utilizaron casi 3.900 TWh de energía para enfriar hogares y oficinas, para refrigerar alimentos y medicinas, etc. esto es aproximadamente del 3 al 4% del consumo de energía final según Toby Peters de la Universidad de Birmingham, y el 10% del consumo mundial de electricidad según la IEA.
En Francia, los picos en el consumo de electricidad son en invierno y se deben principalmente a la calefacción eléctrica . La necesidad de calefacción se vuelve casi nula en verano, lo que permite mantener las centrales eléctricas en verano (cuando hay menos agua de refrigeración disponible). Sin embargo, en un número cada vez mayor de los picos de consumo países son verano, inducida por los acondicionadores de aire, llegando a ser preocupante para las redes futuras de electricidad, especialmente en lo que se espera que la demanda de aire acondicionado a "explotar en las próximas décadas", según la Internacional de Desarrollo Agencia. Energética ( IEA), que podría aumentar el consumo de energía utilizada para refrigeración y aire acondicionado en alrededor de un 90% para 2050, según la Universidad de Birmingham en el primer congreso mundial dedicado al " frío limpio " (abril de 2018).
El aire acondicionado proporciona confort térmico cuando la temperatura exterior es baja o alta. Entre temporadas, la necesidad de aire acondicionado varía, en relación con entradas externas (solar en particular) e internas (gran número de ocupantes, dispositivos eléctricos como iluminación, microcomputadoras, etc. ).
El mismo sistema ( bomba de calor reversible, de tamaño adaptado al uso) permite calentar o enfriar el local según sea necesario.
El confort higrométrico se tiene cada vez más en cuenta para proporcionar una humedad ambiente controlada por acciones de humidificación y deshumidificación, activadas por un higrostato .
El principio de funcionamiento de un acondicionador de aire se explica en el siguiente diagrama.
Un sistema de aire acondicionado no solo debe contrarrestar las cargas térmicas y de agua de una habitación, sino que también debe garantizar la calidad del aire mediante la renovación de aire fresco higiénico (mantenimiento del contenido de CO 2 y olores en un nivel aceptable definido por las normas vigentes), y la filtración del aire soplado.
La filtración se puede hacer por aire soplado o de retorno , Renovación por extracción forzada de aire fuera de la habitación o por introducción forzada de aire fresco (aire exterior) en la habitación, por renovación parcial del ambiente contaminado por aire (usando un caja de mezcla), o por un filtro de polvo, posiblemente combinado con un filtro de carbón activado.
Tipos de sistemasEl campo de la ingeniería climática incluye tres categorías de sistemas: plantas unizona (ver ejemplo arriba), plantas multizona, sistemas autónomos, triomas .
Renovación de aireLa renovación del aire en una habitación se puede realizar mediante diferentes sistemas:
En este tipo de sistema, para evitar que el aire exterior contamine el de la habitación, la presión interna se incrementa ligeramente en relación con la presión atmosférica. La ventaja de la caja de mezcla es que consigue un importante ahorro energético (respeto por el medio ambiente).
En este caso, por lo tanto, hay un caudal másico de aire soplado mayor que el caudal másico de aire de retorno. Este tipo de proceso se utiliza generalmente en oficinas, cines, etc.
Sistemas utilizados en reciclaje totalEn un sistema de reciclaje total, la renovación del aire fresco se obtiene mediante un sistema de ventilación mecánica controlada donde el aire se mezcla directamente en la habitación, o el aire fresco se prepara en una planta denominada "central". Aire fresco ”. Este aire se envía directamente a las condiciones interiores de la habitación. Un circuito de aire fresco especial asegura la renovación del aire fresco, y hay un caudal de aire de descarga igual al flujo de aire fresco suministrado.
Sistema de aire frescoEn este tipo de proceso, no hay reciclaje del aire en la habitación. Dependiendo del tipo de sala, será de sobrepresión para evitar la contaminación del aire interior (quirófanos, laboratorios farmacéuticos, etc. ) o de presión atmosférica.
La desventaja de este tipo de instalación es que genera una potencia térmica muy alta, por lo que no es muy económica. Sin embargo, para reducir los costos de energía, se puede instalar una unidad de recuperación de calor (por ejemplo, con placas) en estas plantas.
Sistema operativo con recuperación de energíaEn modo “frío”, el aire nuevo más caliente (que viene del exterior) cede parte de su calor (un intercambiador no es perfecto) al aire usado a través de un intercambiador (aire / aire) que le permite bajar su temperatura y así Ahorre la energía que se suministrará al sistema de aire acondicionado.
Por el contrario, cuando el sistema cambia a modo "caliente", el aire caliente que se expulsa al exterior calienta el aire nuevo antes de entrar en el espacio climatizado, lo que también permite ahorros como en algunos sistemas. Ventilación clásica. Este intercambiador se denomina comúnmente "caja de doble flujo".
Antes de instalar un sistema de aire acondicionado, es importante definir las entradas de calor y humedad interior y exterior.
Definición de condiciones externasEstos valores dependen de la temporada y de la ubicación geográfica donde se ubicará el local a climatizar. Los datos meteorológicos ya clasificados permitirán fijar temperaturas secas y húmedas . Estos datos nos permitirán calcular las potencias máximas a implementar en nuestras instalaciones.
Definición de condiciones interioresLa temperatura y la humedad interiores dependen del tipo de habitación.
Para locales como viviendas unifamiliares, oficinas, grandes almacenes, etc. (aire acondicionado denominado "confort"), la temperatura y la humedad dependerán de las estaciones, pero también de la cantidad de elementos que pueden liberar humedad (número de clientes, ensaladas, verduras, etc. ).
Para locales de tipo industrial, la temperatura y la humedad dependerán del uso que se haga del local. Pueden permanecer constantes durante todo el año (sala de informática o laboratorio metrológico por ejemplo) pero también varían (cocción discontinua en conservera).
Al estudiar un proyecto de aire acondicionado, para poder dimensionar correctamente la unidad de tratamiento de aire, es importante estudiar primero las cargas que la unidad tendrá que soportar. Deben tenerse en cuenta las llamadas cargas "sensibles" y las llamadas cargas "latentes".
Cargas sensiblesLas cargas sensibles que vienen del exterior son positivas en verano (debido a la luz solar, por ejemplo) y negativas en invierno (debido a las pérdidas).
Las cargas sensibles que provienen del interior de la habitación provienen principalmente de:
Los aportes de calor latente (liberación de humedad en forma de vapor de agua) proceden principalmente de:
La siguiente relación matemática da las cargas de agua denominadas "[øL]":
øL = M × Lv [kW]con :
Las cargas totales son la suma algebraica de las cargas sensibles y latentes denominadas [øT] . Puede ser positivo o negativo y viene dado por la siguiente relación matemática:
øT = øS + øL [kW]Si la temperatura y la humedad de la habitación son constantes, su balance energético se puede explicar de la siguiente manera:
Para hacer esto, se asumirá que el flujo másico de aire soplado seco es igual al flujo másico de aire de retorno:
La potencia suministrada a la habitación es la suma de la potencia suministrada por el aire a la habitación, es decir a øT (ver capítulo anterior).
lo que permite determinar las condiciones de soplado.
Para determinar las condiciones de soplado de aire en una habitación, es necesario saber:
Las condiciones del punto de soplado (más precisamente las condiciones de confort) permitirán dimensionar los elementos de la instalación:
El posicionamiento del punto de soplado en relación al de la habitación depende de las cargas sensibles y latentes (entradas o pérdidas).
Dependiendo de los valores de carga, podemos considerar nueve posiciones significativas del punto de soplado en relación al de la habitación. Dependiendo del balance de calor (entradas o pérdidas), podemos predecir la posición del punto de soplado en relación con el de la habitación.
Discrepancia en la velocidad de soplado y mezclaLa diferencia de temperatura del aire de suministro representa la diferencia algebraica entre la temperatura del aire de suministro y la temperatura ambiente:
Esta diferencia es siempre positiva cualquiera que sea la posición del punto de soplado con respecto a la de la habitación. Depende del tipo de bocas utilizadas.
Los siguientes valores se pueden tomar como una primera aproximación:
La tasa de mezcla representa el volumen de aire tratado renovado en la habitación durante una hora:
La velocidad de mezcla depende del tipo de salidas de aire instaladas. No supera los 15 en climatización de confort y puede llegar hasta 30 en climatización industrial.
La Agencia Internacional de Energía (AIE) estima el consumo de electricidad de los acondicionadores de aire en 2.000 TWh , o el 10% de la demanda mundial de electricidad; entre 1990 y 2016, su capacidad instalada se triplicó, llegando a casi 12.000 Gigavatios . La IEA predice que la demanda de electricidad de los acondicionadores de aire podría triplicarse en 2050. Si el desarrollo de la energía solar, abundante en las horas más calurosas, permitirá absorber parte del consumo de aire acondicionado, la AIE cree que esta participación se mantendrá en minoría; apunta al riesgo de crecimiento de las emisiones de CO 2 vinculado a la producción de electricidad a partir de gas o carbón.
En 2016, solo tres países representan dos tercios del stock de acondicionadores de aire en funcionamiento: China (35,1%), Estados Unidos (23%) y Japón (9,2%); la participación de la Unión Europea es solo del 6%. En Francia, según RTE , el aire acondicionado y la ventilación consumen 3 TWh / año en el sector residencial y 15 TWh / año en el sector terciario y la agricultura; estos consumos deberían aumentar a 5 TWh / año y 16,5 TWh / año respectivamente en 2035. Las redes de refrigeración están poco desarrolladas: 23 redes de refrigeración (París y sus alrededores, Metz, Lyon, Burdeos, Toulouse, etc.) en apenas 200 kilómetros de largo, según Ademe , frente a 761 redes de calefacción con 5.400 kilómetros de tuberías en 2017.
En 2019, más de la mitad de los refrigeradores y aires acondicionados fabricados en el mundo provienen de la ciudad china de Foshan .
Air Conditioning Power tiene ventajas y desventajas para la salud , pero también riesgos para la salud y el medio ambiente.
Los administradores de condominios y las asambleas generales a menudo aceptan la instalación de dicho equipo sin medir el impacto.
Este equipo emite continuas perturbaciones sonoras que contravienen el espíritu del artículo R. 1334-31 del Código de Salud Pública que establece que ningún ruido particular debe, por su duración, repetición o intensidad, afectar negativamente a la tranquilidad del vecindario o la salud humana. , en un lugar público o privado.
Un ruido polémico es considerado como una molestia ruido cuando el emergente ruido obtenido por la diferencia entre el ruido ambiente y el ruido polémico es mayor que 5 dB durante el día (de 7 a.m. a 10 p.m. ) y 3 dB en la noche (de 10 p.m. a las 7 a.m. h ).
Los sistemas de aire acondicionado están acusados de causar los siguientes riesgos para la salud:
Casi todos los sistemas de aire acondicionado tienen filtros , que deben limpiarse o reemplazarse periódicamente; este mantenimiento no siempre se realiza.
El aire acondicionado presenta los siguientes problemas:
Ciertos productos como el bromuro de litio (LiBr) son peligrosos para la salud y el medio ambiente. Se utiliza en máquinas de absorción (aire acondicionado que utiliza agua, amoniaco y gas natural como fuente de energía, en una máquina de absorción que produce agua fría y caliente que se pueden utilizar simultáneamente) a una velocidad de cientos de litros (más de 1000 litros a menudo en aire industrial acondicionadores), puede tener fugas y debe ser drenado por profesionales calificados al final de la vida útil de la máquina.
Tras la quiebra o el cese de actividades de empresas cuyos locales están equipados con acondicionadores de aire, a veces es difícil saber qué ha sido de estos productos .
Además de las normas relativas a los dispositivos, su consumo eléctrico, la legionelosis o el reciclaje de los materiales que los componen, la legislación está evolucionando para aplicar mejor los protocolos de Montreal (protección de la capa de ozono , que justificó la prohibición de ciertos gases) y Kyoto , pero a menudo permitiendo la utilización de stocks de productos antiguos y con cierta lentitud.
La directiva europea sobre el rendimiento energético de los edificios (2002/91 / CE) prevé una inspección periódica de los sistemas de aire acondicionado y bombas de calor reversibles con una potencia superior a 12 kW (excluida la "refrigeración industrial" sujeta a otras normativas). Esta inspección incluye una evaluación del rendimiento del aire acondicionado y su dimensionamiento frente a los requisitos de refrigeración del edificio. Se ofrece a los usuarios el asesoramiento adecuado sobre la posible mejora o sustitución del sistema de aire acondicionado y otras posibles soluciones.
En Francia, para instalaciones antiguas (instaladas antes de julio de 2011), la primera inspección debe realizarse antes 31 de marzo de 2013para sistemas de 12 a 100 kW y anteriores31 de marzo de 2012para aquellos cuya potencia sea igual o superior a 100 kW . Para instalaciones nuevas o cualquier reemplazo, la inspección debe realizarse dentro de un año de la puesta en servicio. Las inspecciones deben repetirse al menos una vez cada cinco años.
En Francia, el Código de Energía prohíbe el funcionamiento de los acondicionadores de aire cuando la temperatura de los locales es menor que o igual a 26 ° C . El decreto sigue siendo solo una recomendación, cuya no aplicación no es perseguida por la ley. El objetivo es simplemente animar a los usuarios a moderar el uso de este tipo de equipos.
Desde el 4 de julio de 2009, los especialistas en aire acondicionado y / o refrigeración deben:
Qualiclimafroid, asociación de profesionales, solicitó ser un organismo homologado y emitir certificados de capacidad.
En los llamados países emergentes (China, India, Indonesia, Brasil, Tailandia en particular) cuando los ingresos de un hogar aumentan, el aire acondicionado es a menudo una de las primeras compras programadas; Se deberían instalar miles de millones de nuevos electrodomésticos para 2050 (así como refrigeradores) que consumirán mucha electricidad hoy, principalmente de carbón o gas ... por lo tanto, emite gases de efecto invernadero que calientan el clima mundial (para las ciudades, un estudio de 2014 concluyó de una simulación de que en el centro de las ciudades el aire acondicionado aumenta la temperatura media nocturna en 1 ° C.El escenario tendencial en 2018 es una duplicación de las emisiones de CO 2inducida por el aire acondicionado de 2016 a 2050 ( " es como si estuviéramos sumando una África actual al mundo, es decir cerca de mil millones de toneladas de CO 2aproximadamente al año ” ). La rápida urbanización de estos países podría exacerbar aún más esta paradoja. En este escenario, las necesidades de energía para refrigeración en el mundo podrían incrementarse a 7.500 TWh en 2050, o “6,4% a 10% del consumo global de energía” en 2050, o de tres a cinco veces más que en 2015 (teniendo en cuenta la energía progreso dela eficiencia delaire acondicionado). El mercado asociado podría ser de $ 260 mil millones en 2050 (en comparación con $ 140 mil millones en 2017).
Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), de los 2.800 millones de seres humanos que viven en las regiones más cálidas del mundo, solo el 8% se beneficia del aire acondicionado en 2017, en comparación con el 90% en los estados Unidos y Japón. La IEA predice que el consumo de energía para el aire acondicionado se triplicará para 2050 con tecnología sin cambios, hasta alcanzar los 6.200 teravatios hora. En India, la demanda se multiplicará por quince. Solo tres países, India, China e Indonesia, representarán más de la mitad del crecimiento mundial, y el crecimiento también será muy fuerte en Brasil, México y Oriente Medio. Emisiones de CO 2relacionados con el aire acondicionado prácticamente se duplicarían en treinta años, hasta superar los dos mil millones de toneladas, a pesar del desarrollo de una electricidad cada vez más limpia. La IEA estima que al actuar sobre la eficiencia energética de los equipos de aire acondicionado, podríamos más del doble del rendimiento de la base instalada para 2050 y, por lo tanto, reducir la demanda de energía a 3.400 teravatios hora.
En 2017 se desarrolló un metamaterial de polímero encapsulado en microesferas y completado con una fina capa de plata en la cara posterior (50 µm de espesor), que podría contribuir en el futuro a la climatización de edificios residenciales. El principio es que para evitar que durante el día se absorba más energía solar que la radiación térmica emitida , el metamaterial es transparente al espectro solar reflejado por la capa plateada en la cara posterior, mientras que tiene una fuerte emisividad en el infrarrojo. (radiación de calor). Por lo tanto, puede perder energía incluso durante el día, mientras que los materiales normales absorben el espectro solar y, por lo tanto, se calientan durante el día. El comportamiento térmico de este tipo de metamaterial es radicalmente diferente al de los cuerpos naturales o habituales cuya absorción igual a la emisividad , mientras que para este metamaterial la absorción es cercana a 0 mientras que la emisividad es cercana a 1. El enfriamiento de el edificio se produce porque su calor se transfiere por conducción térmica a la capa de metamaterial depositada en su superficie que luego lo evacua. "De 10 a 20 m 2 de este material en el techo de una casa es suficiente para enfriarlo bien en verano", según Gang Tan, profesor asistente de ingeniería arquitectónica en la Universidad de Wyoming , co-descubridor de esta técnica. Un prototipo de "granja de enfriamiento" (200 m 2 ) está previsto para 2017 en Boulder , Colorado ). Esta película de metamaterial refleja de manera eficiente el infrarrojo de la energía solar de regreso a la atmósfera sin evitar que el objeto cubierto pierda también el calor que ha almacenado.
Creada en 1966-1967, la obra de arte conceptual Air-Conditioning Show , literalmente “ Air-Conditioning Show ”, exhibe el sistema de aire acondicionado del museo o institución que alberga la obra.