Klimatizace je technika úpravy, řídicí a regulační podmínky v oblasti klimatu ( teplota , vlhkost , prašnost , atd ) z interiéru pro pohodlí důvodů (auta, kanceláře, domy), nebo z technických důvodů ( lékařské laboratoře , výrobě elektronických součástek prostory, operační sály, počítačové místnosti atd. ).
Upravené, řízené nebo regulované parametry jsou:
Některé z těchto technik jsou staré a některé ne (vynález chladničky v XIX th století, například); moderní systémy mají tendenci kombinovat je do stejného zařízení zvaného reverzibilní klimatizace (chlazení v létě a topení v zimě).
V roce 2018 podle Mezinárodní energetické agentury spotřebovávají elektrické klimatizace a ventilátory přibližně jednu pětinu celkové elektřiny budov na celém světě, tj. 10% z celkové spotřeby elektřiny, a očekává se, že do roku 2050 dojde k prudkému nárůstu, pokud při této rychlosti “ chlazení “by se mohlo stát primárním zdrojem spotřeby elektřiny.
Římané používali podzemní tunel k přivádění venkovního vzduchu, který byl skutečnou klimatizací, protože vzduch vstupující do domu byl vždy kolem 10–12 ° C v zimě a v létě (princip kanadské studny )
Některé jeskyně nebo obzvláště chladná místa (jeskyně, horské potoky, ledovec atd. ) Se používají k ukládání potravin nebo ledových bloků na několik měsíců.
Od XVI th století přírodní systémy osvěžení získaný odtoku vody, což způsobuje odpařování snížil teplotu vzduchu. V době Ludvíka XIV. Byl led transportován z ledovců chráněných izolační vrstvou slámy.
Konec XVIII -tého století, klimatizace sítě jsou tvořeny kusy ledu vložených do sítí i s nuceným větráním. Před vynálezem ledniček byl led skladován v chladiči (například v zimě rozřezáván na rybnících). Byla to díra uzavřená izolačním krytem, ve kterém jsme střídali vrstvy slámy nebo pilin a ledu. Jak studený vzduch klesá a teplo stoupá, s plnicím otvorem nahoře je teplota udržována nízká a část takto uloženého ledu je udržována až do léta. Koncept letního pohodlí je stále velmi starý, architektonické návrhy upřednostňují průvan a chrání oblasti před přímým slunečním zářením před horkem.
V roce 1755 získal Skot William Cullen trochu ledu zavedením vodní páry pod „vakuový zvon“.
První skutečný pokus o průmyslové využití chlazení se datuje do roku 1851, kdy skotský tiskař James Harrison , který emigroval do Austrálie, koupil novinovou společnost. Při čištění postav etherem si všimne, že kapalina při odpařování silně ochladí kov. Harrison přišel s nápadem stlačit plynný ether pomocí pumpy, aby se změnil na kapalinu, a poté nechat kapalný ether vrátit se do plynného stavu a způsobit ochlazení. Implementuje tento systém v australském pivovaru, kde je studený etherový plyn čerpán trubkami, které cirkulují skrz budovu. Harrison používá stejný princip k výrobě ledu vedením trubek chlazených etherovým plynem přes vodu. V roce 1860 však zbankrotoval, protože přírodní led, který se poté dovážel lodí z Ameriky, byl stále levnější.
O něco později postupující technologie jsme začali vyrábět jednoduché chladicí systémy pracující s pístovými kompresory (jako jsou naše současné chladničky ) hlavně v námořní dopravě, která pracovala s etherem, který byl následně nahrazen amoniakem, který poskytuje lepší výkon .
V roce 1857 , Ferdinand Carré vynalezl vody a amoniaku lednici. Patentoval svůj vynález ve Spojených státech a na světové výstavě v roce 1862 . To pro domácí trh nebylo úspěšné, ale úspěch našel v pivovarech , aby se nápoje ochladily. V závislosti na modelu může chladnička vyprodukovat 12 až 100 kg ledu.
Moderní klimatizace byla vynalezena Willisem H. Carrierem v roce 1902 s odstředivým chladicím systémem s centrálním kompresorem, aby se zmenšila její velikost (veřejnosti bude představena až v roce 1925, kdy pan Carrier přesvědčí společnost Paramount, aby ji instalovala během výstavby Divadlo Rivoli na Times Square . Legenda říká, že trháky léta pocházejí z této doby, protože Newyorčané se od té doby usadí v divadlech klimatizovaných během horkých letních dnů).
V roce 2017 bylo podle IEA po celém světě v provozu přibližně 1,6 miliardy klimatizačních jednotek, z toho asi 50% ve Spojených státech a Číně.
S globálním oteplováním a ekonomickým rozvojem se zvyšuje počet klimatizací: v roce 2017 se prodalo přibližně 135 milionů jednotek ročně (třikrát více než v roce 1990 ), z toho 53 milionů jednotek v Číně, zatímco v Indii 4 Je vybaveno pouze% domácností. Téměř 3 900 TWh energie bylo použito k chlazení domů a kanceláří, k chlazení potravin a léků atd. to je asi 3 až 4% konečné spotřeby energie podle Tobyho Petersa z Birminghamské univerzity a 10% světové spotřeby elektřiny podle IEA.
Ve Francii vrcholí spotřeba elektřiny v zimě, zejména kvůli elektrickému vytápění . Potřeba vytápění je v létě téměř nulová, což umožňuje udržovat elektrárny v létě (kdy je chladicí voda méně dostupná). Ale v rostoucím počtu spotřeby země vrcholy jsou v létě, vyvolané klimatizačních jednotek, stává znepokojující pro sítě budoucí elektřiny, zejména proto, že poptávka po klimatizaci Očekává se, „explodovat v nadcházejících desetiletích“ dle mezinárodní rozvojové agentury. Energie ( IEA), což by mohlo do roku 2050 zvýšit spotřebu energie používané na chlazení a klimatizaci přibližně o 90%, uvádí Birminghamská univerzita na prvním světovém kongresu věnovaném „ čistému chladu “ (duben 2018).
Klimatizace poskytuje tepelný komfort, když je venkovní teplota nízká nebo vysoká. Mezi jednotlivými obdobími se potřeba klimatizace liší, a to v souvislosti s externími (zejména solárními) a vnitřními (velkým počtem obyvatel, elektrickými zařízeními, jako je osvětlení, mikropočítače atd. ).
Stejný systém ( reverzibilní tepelné čerpadlo velikosti přizpůsobené použití) umožňuje podle potřeby vytápět nebo chladit prostory.
Hygrometrický komfort je stále více zohledňován pro zajištění vlhkosti prostředí řízené zvlhčováním a odvlhčováním, aktivované pomocí hygrostatu .
Princip fungování klimatizace je vysvětlen v následujícím schématu.
Klimatizační systém musí nejen čelit tepelnému a vodnímu zatížení místnosti, ale musí také zajišťovat kvalitu vzduchu obnovou hygienického čerstvého vzduchu (údržba obsahu CO 2 a pachy na přijatelné úrovni definované platnými normami) a filtrace vyfukovaného vzduchu.
Filtraci lze provádět foukaným nebo vráceným vzduchem , Obnova nuceným odsáváním vzduchu z místnosti nebo nuceným zaváděním čerstvého vzduchu (vnějšího vzduchu) do místnosti, částečnou obnovou ovzduší kontaminovaného prostředí (pomocí směšovací skříň) nebo prachovým filtrem, případně v kombinaci s filtrem s aktivním uhlím.
Typy systémůPole klimatického inženýrství zahrnuje tři kategorie systémů: unizonové rostliny (viz příklad výše), vícezónové rostliny, autonomní systémy, triomy .
Obnova vzduchuVýměnu vzduchu v místnosti lze provést pomocí různých systémů:
U tohoto typu systému je vnitřní tlak mírně zvýšen ve srovnání s atmosférickým tlakem, aby se zabránilo znečištění venkovního vzduchu vzduchem v místnosti. Výhodou směšovacího boxu je dosažení významných úspor energie (ohled na životní prostředí).
V tomto případě tedy existuje hmotnostní průtok vyfukovaného vzduchu větší než hmotnostní průtok zpětného vzduchu. Tento typ procesu se obvykle používá v kancelářích, kinech atd.
Systémy používané při celkové recyklaciV celkovém recyklačním systému je obnova čerstvého vzduchu zajištěna buď řízeným mechanickým ventilačním systémem, kde je vzduch směšován přímo v místnosti, nebo je čerstvý vzduch připravován v takzvaném „centrálním“ zařízení. Čerstvý vzduch “. Tento vzduch je vháněn přímo do vnitřních podmínek místnosti. Speciální okruh čerstvého vzduchu zajišťuje výměnu čerstvého vzduchu a průtok odváděného vzduchu se rovná průtoku přiváděného čerstvého vzduchu.
Systém čerstvého vzduchuU tohoto typu procesu nedochází k recyklaci vzduchu v místnosti. V závislosti na typu místnosti to bude buď přetlak, aby se zabránilo jakémukoli znečištění vnitřního ovzduší (operační sály, farmaceutické laboratoře atd. ), Nebo při atmosférickém tlaku.
Nevýhodou tohoto typu instalace je to, že generuje velmi vysoký tepelný výkon, který proto není příliš ekonomický. Aby se však snížily náklady na energii, může být na těchto zařízeních instalována rekuperační jednotka (například deskový typ).
Systém pracující s rekuperací energieV „studeném“ režimu se teplejší nový vzduch (který přichází zvenčí) vzdává části svého tepla (výměník není dokonalý) použitému vzduchu prostřednictvím výměníku (vzduch / vzduch), který mu umožňuje snížit jeho teplotu a tím šetřit energii dodávanou do klimatizačního systému.
Naopak, když se systém přepne do režimu „horký“, horký vzduch, který je odváděn ven, ohřívá nový vzduch před vstupem do klimatizovaného prostoru, což také umožňuje úspory jako u některých systémů - klasické větrání. Tento výměník se běžně označuje jako „dvouproudový box“.
Před instalací klimatizačního systému je důležité definovat vnitřní a venkovní vstupy tepla a vlhkosti.
Definice vnějších podmínekTyto hodnoty závisí na ročním období a geografickém umístění, kde budou umístěny klimatizované prostory. Již klasifikovaná meteorologická data umožní stanovit suché a mokré teploty . Tyto údaje nám umožní vypočítat maximální výkon, který má být implementován v našich prostorách.
Definice vnitřních podmínekVnitřní teplota a vlhkost vzduchu závisí na typu místnosti.
Pro prostory, jako jsou jednotlivé byty, kanceláře, obchodní domy atd. (tzv. „komfortní“ klimatizace), teplota a vlhkost budou záviset na ročním období, ale také na množství prvků, které mohou vlhkost uvolňovat (počet zákazníků, saláty, zelenina atd. ).
V prostorách průmyslového typu bude teplota a vlhkost záviset na využití těchto prostor. Mohou zůstat konstantní po celý rok (například počítačová učebna nebo metrologická laboratoř), ale také se mohou lišit (diskontinuální vaření v konzervárně).
Při studiu projektu klimatizace je důležité nejprve studovat zatížení, která bude jednotka muset nést, aby bylo možné správně dimenzovat klimatizační jednotku. Je třeba brát v úvahu takzvaná „citlivá“ zatížení a takzvaná „latentní“ zatížení.
Citlivé zatíženíCitlivé náboje přicházející zvenčí jsou v létě kladné (například kvůli slunečnímu záření) a záporné v zimě (kvůli ztrátám).
Citlivá zatížení přicházející zevnitř místnosti pocházejí hlavně z:
Příspěvky latentního tepla (uvolňování vlhkosti ve formě vodní páry) pocházejí hlavně z:
Následující matematický vztah udává zatížení vody s názvem „[øL]“:
øL = M × Lv [kW]s:
Celkové náboje jsou algebraickým součtem rozumných a latentních nábojů s názvem [řT] . Může být kladný nebo záporný a je dán následujícím matematickým vztahem:
øT = øS + øL [kW]Pokud jsou teplota a vlhkost místnosti konstantní, lze její energetickou bilanci vysvětlit takto:
Za tímto účelem se bude předpokládat, že hmotnostní tok suchého vyfukovaného vzduchu se rovná hmotnostnímu toku zpětného vzduchu:
Energie dodávaná do místnosti je součtem energie dodávané vzduchem do místnosti, to znamená při øT (viz předchozí kapitola).
což umožňuje určit podmínky foukání.
K určení podmínek foukání vzduchu v místnosti je nutné znát:
Podmínky odfukovacího bodu (přesněji komfortní podmínky) umožní dimenzovat prvky instalace:
Umístění bodu vyfukování ve vztahu k místu závisí na citlivém a latentním zatížení (vstupy nebo ztráty).
V závislosti na hodnotách zatížení můžeme uvažovat o devíti významných polohách bodu vyfukování ve vztahu k poloze místnosti. V závislosti na tepelné bilanci (vstupy nebo ztráty) proto můžeme předvídat polohu bodu vyfukování ve vztahu k poloze místnosti.
Nesrovnalosti v rychlosti foukání a mícháníRozdíl teploty přiváděného vzduchu představuje algebraický rozdíl mezi teplotou přiváděného vzduchu a teplotou místnosti:
Tento rozdíl je vždy pozitivní bez ohledu na polohu bodu vyfukování ve vztahu k poloze místnosti. Závisí to na typu použitých úst.
Následující hodnoty lze brát jako první aproximaci:
Rychlost míchání představuje objem upraveného vzduchu obnoveného v místnosti po dobu jedné hodiny:
Rychlost míchání závisí na typu instalovaných výstupů vzduchu. V komfortní klimatizaci nepřesahuje 15 a v průmyslové klimatizaci může dosáhnout až 30.
Mezinárodní energetická agentura (IEA) odhaduje spotřeba elektrické energie klimatizačních jednotek na 2,000 TWh , nebo 10% celosvětové poptávky po elektrické energii; v letech 1990 až 2016 se jejich instalovaná kapacita ztrojnásobila a dosáhla téměř 12 000 gigawattů . IEA předpovídá, že poptávka po elektřině z klimatizačních zařízení by se mohla do roku 2050 ztrojnásobit. Pokud vývoj sluneční energie, hojný v nejteplejších hodinách, umožní absorbovat část spotřeby klimatizace, AIE věří, že tento podíl zůstane v menšině; poukazuje na riziko růstu emisí CO 2 spojené s výrobou elektřiny z plynu nebo uhlí.
V roce 2016 tvořily dvě třetiny zásob provozovaných klimatizací pouze tři země: Čína (35,1%), Spojené státy americké (23%) a Japonsko (9,2%); podíl Evropské unie je pouze 6%. Ve Francii spotřebovává klimatizace a větrání podle RTE 3 TWh / rok v rezidenčním sektoru a 15 TWh / rok v terciárním sektoru a zemědělství; tato spotřeba by se měla v roce 2035 zvýšit na 5 TWh / rok a 16,5 TWh / rok . Chladicí sítě nejsou příliš rozvinuté: 23 chladicích sítí (Paříž a její předměstí, Mety, Lyon, Bordeaux, Toulouse atd.) na pouhých 200 kilometrech podle Ademe dlouho v roce 2017 proti 761 topným sítím s 5400 kilometry potrubí.
V roce 2019 pochází více než polovina chladniček a klimatizací vyrobených na světě z čínského města Foshan .
Klimatizace má výhody a nevýhody pro zdraví , ale také rizika pro zdraví a životní prostředí.
Manažeři kondominia a valná shromáždění často přijímají instalaci takového zařízení bez měření dopadu.
Toto zařízení vydává nepřetržité rušení hlukem, což je v rozporu s duchem článku R. 1334-31 zákoníku veřejného zdraví, který stanoví, že žádný konkrétní hluk nesmí svou délkou, opakováním nebo intenzitou nepříznivě ovlivňovat klid okolí nebo lidské zdraví. , na veřejném nebo soukromém místě.
Svárlivá hluk je považován za obtěžování hlukem, když se vznikající hluk získaný rozdíl mezi hlukem pozadí a sporné hluku je větší než 5 dB v průběhu dne (od 7 hodin ráno do 10 p.m. ) a 3 db v noci (od 10 hod do 7 hodin ráno h ).
Klimatizační systémy jsou obviněny z toho, že způsobují následující zdravotní rizika:
Téměř všechny klimatizační systémy mají filtry , které je nutné pravidelně čistit nebo vyměňovat; tato údržba se ne vždy provádí.
Klimatizace představuje následující problémy:
Některé produkty, jako je bromid lithný (LiBr), jsou zdraví škodlivé i pro životní prostředí. Používá se v absorpčních strojích (klimatizace využívající jako zdroj energie vodu, amoniak a zemní plyn, v absorpčním stroji produkujícím horkou i chlazenou vodu, které lze použít současně) v množství stovek litrů (více než 1000 litrů často v průmyslovém vzduchu kondicionéry), může vytékat a po skončení životnosti stroje jej musí vypustit kvalifikovaný odborník.
Po bankrotu nebo ukončení činnosti společností, jejichž prostory jsou vybaveny klimatizačními zařízeními, je někdy obtížné zjistit, co se s těmito produkty stalo .
Kromě norem týkajících se zařízení, jejich elektrické spotřeby, legionelózy nebo recyklace materiálů, které je tvoří, se vyvíjí právní předpisy, které lépe uplatňují Montrealské protokoly (ochrana ozonové vrstvy , která odůvodňovala zákaz určitých plynů) a Kjóto , ale často umožňující použití zásob starých produktů as určitou pomalostí.
Evropská směrnice o energetické náročnosti budov (2002/91 / ES) stanoví pravidelné inspekce klimatizačních systémů a reverzibilní tepelná čerpadla s výkonem vyšším než 12 kW (vyjma „průmyslové chladící“ s výhradou jiných předpisů.). Tato kontrola zahrnuje hodnocení výkonu klimatizace a její dimenzování s ohledem na požadavky na chlazení budovy. Uživatelům jsou poskytovány příslušné rady o možném vylepšení nebo výměně klimatizačního systému a dalších možných řešeních.
Ve Francii musí být u starých instalací (instalovaných před červencem 2011) provedena první kontrola dříve 31. března 2013pro systémy od 12 do 100 kW a dříve31. března 2012pro ty, jejichž výkon je 100 kW nebo více. U nových instalací nebo jakékoli výměny musí být kontrola provedena do jednoho roku od uvedení do provozu. Inspekce by se měly opakovat alespoň jednou za pět let.
Ve Francii se energie kód zakazuje chod klimatizačních jednotek, když je teplota v prostoru je menší než nebo rovna 26 ° C . Vyhláška je stále pouze doporučením, jehož neaplikace není zákonem stíhána. Cílem je jednoduše povzbudit uživatele, aby umírněně používali tento typ zařízení.
Od té doby 4. července 2009, specialisté na klimatizaci a / nebo chlazení musí:
Sdružení profesionálů Qualiclimafroid požádalo o schválený orgán a vydalo osvědčení o kapacitě.
Když se v takzvaných rozvíjejících se zemích (zejména v Číně, Indii, Indonésii, Brazílii, Thajsku) zvýší příjem domácnosti, je klimatizace často jedním z prvních naprogramovaných nákupů; do roku 2050 by měly být instalovány miliardy nových spotřebičů (stejně jako chladničky), které dnes spotřebují hodně elektřiny, hlavně z uhlí nebo plynu ... proto emituje skleníkové plyny, které ohřívají světové klima (pro města studie z roku 2014 simulace, že v centrech měst klimatizace zvyšuje průměrnou noční teplotu o 1 ° C. Trendem v roce 2018 je zdvojnásobení emisí CO 2vyvolané klimatizací od roku 2016 do roku 2050 ( „ je to, jako bychom do světa přidali současnou Afriku, to znamená téměř miliardu tun CO 2přibližně za rok “ ). Rychlá urbanizace těchto zemí by mohla tento paradox dále prohloubit. V tomto scénáři by mohla být potřeba energie na chlazení ve světě zvýšena na 7500 TWh v roce 2050, nebo „6,4% až 10% celosvětové spotřeby energie“ v roce 2050, nebo třikrát až pětkrát více než v roce 2015 (s přihlédnutím k energetické pokrok v účinnosti klimatizace). Přidružený trh by mohlv roce 2050 činit 260 miliard USD (ve srovnání s 140 miliardami v roce 2017).
Podle Mezinárodní energetické agentury (IEA) z 2,8 miliardy lidí, kteří žijí v nejteplejších oblastech světa, má v roce 2017 klimatizaci prospěch pouze 8%, ve srovnání s 90% ve státech. Spojené a Japonsko. IEA předpovídá ztrojnásobení spotřeby energie pro klimatizaci do roku 2050 při nezměněné technologii na 6200 terawatthodin. V Indii se poptávka vynásobí patnácti. Samotné tři země, Indie, Čína a Indonésie, budou tvořit více než polovinu globálního růstu a růst bude velmi silný také v Brazílii, Mexiku a na Středním východě. Emise CO 2související s klimatizací by se za třicet let prakticky zdvojnásobil na více než dvě miliardy tun, a to navzdory vývoji stále čistší elektřiny. IEA odhaduje, že působením na energetickou účinnost klimatizačních zařízení bychom mohli do roku 2050 více než zdvojnásobit výkon instalované základny, a proto snížit energetickou náročnost na 3 400 terawatthodin.
V roce 2017 byl vyvinut metamateriál vyrobený z polymeru zapouzdřeného v mikrokuličkách a doplněný tenkou vrstvou stříbra na zadní straně ( tloušťka 50 µm ), což by mohlo v budoucnu přispět ke klimatizaci obytných budov. Princip spočívá v tom, že aby se zabránilo tomu, že během dne bude více sluneční energie absorbováno než znovu emitované tepelné záření , je metamateriál transparentní pro sluneční spektrum odražené stříbrnou vrstvou na zadní straně, zatímco v infračervené oblasti má silnou emisivitu (tepelné záření). Může proto ztrácet energii i během dne, zatímco normální materiály absorbují sluneční spektrum, a proto se během dne zahřívají. Tepelné chování tohoto typu metamateriálu se radikálně liší od tepelného chování přírodních nebo obvyklých těles, jejichž absorpce rovná emisivitě , zatímco u tohoto metamateriálu je absorpce blízká 0, zatímco emisivita je blízká 1. Chlazení k budově dochází, protože její teplo se přenáší tepelným vedením na vrstvu metamateriálu uloženou na jejím povrchu, která ji poté evakuuje. „ 10 až 20 m 2 tohoto materiálu na střeše domu stačí k jeho dobrému chlazení v létě,“ uvádí Gang Tan, odborný asistent architektonického inženýrství na univerzitě ve Wyomingu , spoluobjevitel této techniky. Prototyp „chladicí farmy“ (200 m 2 ) je plánován na rok 2017 v Boulderu v Coloradu ). Tento film z meta-materiálu účinně odráží infračervené záření sluneční energie zpět do atmosféry, aniž by zabraňoval tomu, aby krytý objekt také ztrácel teplo, které uchovával.
Koncepční umělecké dílo Air-Conditioning Show , vytvořené v letech 1966–1967, představuje doslova „ Air-Conditioning Show “, vystavuje klimatizační systém muzea nebo instituce, která je hostitelem díla.