История кондиционирования воздуха
Материал из ТеплоВики - энциклопедия отоплении
История развития кондиционирования воздуха неразрывно связана с историей развития всего человечества: формированием и ростом производства, поэтому отведение тепла с помощью механизмов - относительно современное изобретение, а охлаждение помещений - нет. Естественное охлаждение льдом и испарительное охлаждение является одним из самых древних способов создания комфортных условий в жарких странах. Во времена древнейших цивилизаций (Египет, Индия, Персия, Китай, а затем и Греция, Рим) строили специальные льдохранилища, которые изолировали опилками. Испарительное охлаждение также активно использовалось древними цивилизациями (первыми были Индия, Египет) в целях охлаждения как напрямую, так и в конструкциях зданий и сооружений, к примеру:
- древние римляне с помощью циркуляции воды из акведуков внутри стен зданий охлаждали их. Но поскольку такое использование воды было довольно дорогим, только очень богатые могли позволить себе такую роскошь.
- в средневековой Персии были здания, которые использовали систему цистерн и ветряных башен- воздуховодов для охлаждения помещений во время жаркого сезона: цистерны (большие открытые бассейны в центральных двориках, а не подземные вместилища) собирали дождевую воду, ветряные башни имели окна что ловили ветер, и систему внутренних лопастей, направляющих воздушный поток вниз в здание, обычно над цистерной и обратно через выводящую ветряную башню. Вода из цистерны испарялась, охлаждая воздух в здании.
Развитие систем кондиционирования воздуха в гражданских и жилых зданиях неразрывно связано с историей архитектуры. В Англии, Франции, Германии и США прообразы систем кондиционирования воздуха появились еще в конце XIX в., а первые системы кондиционирования воздуха — в начале XX в. Развитию этой отрасли способствовали требования к микроклимату для технологических процессов растущего производства (полиграфическое, текстильное) в условиях промышленной конкуренции.
Содержание |
Разработка теоретических основ кондиционирования воздуха
Разработка теоретических основ кондиционирования воздуха, создание прикладной науки кондиционирования воздуха появилось как объективная необходимость развития техники для разработки новых конструкций агрегатов, повышения их эффективности с учетом требований защиты окружающей среды и экономии энергии.
Впервые термин «кондиционирование воздуха» был употреблен в 1815 году, когда француз Жанн Шабаннес получил британский патент на метод «кондиционирования воздуха и регулирования температуры в жилищах и других зданиях». Одним из создателей основ кондиционирования воздуха можно
назвать М. Ломоносова, с именем которого связана разработка теории теплоты и теории движения воздуха в каналах и трубах, а также Рихмана, заложившего
основы теории психрометрии, определяющей для кондиционирования воздуха.
В 1820, британский ученый и изобретатель Майкл Фарадей открыл, что сжатие и сжижение аммиака может охлаждать воздух, если оставить сжиженный аммиак испаряться.
Основы для развития техники кондиционирования воздуха были заложены в XIX в.: изобретение холодильных машин, вентиляторов, электродвигателей. Но именно XX век по праву считается веком кондиционирования воздуха,так как к этому периоду относятся основные технические изобретения.
Развитие техники кондиционирования воздуха проходило параллельно в нескольких направлениях:
- создание и совершенствование агрегатов для искусственного получения холода;
- создание и совершенствование оборудования для обработки воздуха (теплообменники для охлаждения, осушения, увлажнения) и перемещения воздуха и жидкостей (вентиляторы и насосы);
- разработка теоретических основ: термодинамика жидкостей и газов, теории тепло- и массообмена, автоматического регулирования; создание и совершенствование методов описания физических процессов и расчета отдельных элементов системы кондиционирования воздуха;
- совершенствование схемных решений систем кондиционирования воздуха для зданий различного назначения.
Практическое использование систем кондиционирования воздуха
XIX век
В 1842 физик из Флориды Джон Горри использовал технологию компрессора для создания льда, которую он использовал для охлаждения воздуха для пациентов в своей клинике в Апалачиколе, Флорида. Он надеялся, что сможет использовать свою машину для льда для регулирования температуры в здании. Он даже предполагал существование централизированной системы кондиционирования воздуха, что сможет охлаждать целые города. И хотя его прототип работал нерегулярно, Горри получил патент в 1851 на его создающую лед машину. Однако его надежды на успех механизма растаяли вскоре после того, как умер его главный финансовый спонсор; и Горри не получил денег, необходимых на развитие механизма. Доктор Горри умер в бедности в 1855 году, и идея о кондиционировании воздуха была отложена на 50 лет.
XX век
Первые промышленные приспособления для кондиционирования воздуха производились для охлаждения воздуха при технологических процессах, а не комфорта персонала.
В 1902 первый современный электрический кондиционер воздуха был изобретен Уиллисом Хэвилендом Керриером. Он был создан для улучшения контроля над процессом производства на типографии, и контролировал не только температуру, но и влажность воздуха. Пониженная температура и влажность помогали сохранить необходимые параметры плотности бумаги и наложения краски. Позднее технология Керриера применялась для улучшения производительности на рабочих местах, и была создана Американская компания кондиционирования воздуха Керриера для удовлетворения возрастающего спроса. Продажи кондиционеров для частных домов разительно возросли в 1950–х годах.
В 1906 году, Стюарт Крамер , житель Шарлотты, Северная Каролина, США, исследовал пути добавления влажности в воздух для своего текстильного завода. Крамер придумал термин «кондиционирование воздуха», используя его в заявке на патент отправленной в этом году, как аналог «водному кондиционированию», тогда широко известному процессу в текстильной промышленности. Уиллис Керриер принял термин и включил в название своей фирмы. Это испарение воды в воздухе для обеспечения эффекта охлаждения теперь известно как испаряющее охлаждение.
Первые кондиционеры и рефрижераторы использовали токсические или воспламеняющиеся газы, как, например, аммиак, метил хлорид и пропан, которые могли привести к летальным последствиям при утечке. Томас Мидгли младший создал первый хлорфторуглеродный газ, Фреон в 1928 году. Этот хладагент был более безопасным для людей, но, как позднее выяснилось, был вредным для озонового слоя атмосферы.
Совершенствование схемных решений систем кондиционирования воздуха
Начиная с 1917 года в нескольких городах США появились первые театры и кинозалы, оборудованные системой кондиционирования воздуха, что привело к резкому росту их посещаемости в жаркие летние месяцы. В 1920-е гг. центральные системы комфортного кондиционирования воздуха обычно устраивались в театрах, гостиницах, торговых центрах, но мало были распространены в офисных и жилых зданиях. В первых небоскребах США были использованы системы естественной вентиляции. В реконструируемых зданиях в существующие системы приточной вентиляции встраивали воздухоохладители.
В связи с разработкой и выпуском местных автономных кондиционеров в начале 20-х годов в офисных и гражданских зданиях преобладали местные системы
кондиционирования воздуха. В 1930 году большинство основных государственных учреждений США имели системы кондиционирования воздуха, в том числе Белый дом. В 30-е годы в США, а затем и в других странах, началось широкое применение комнатных, бытовых и шкафных автономных кондиционеров для жилых зданий.
Практически до середины 40-х годов системы кондиционирования гражданских зданий, в том числе офисных, это — центральные воздушные системы с местными рециркуляционными вентиляторами или температурными доводчиками.
Одно- и двухканальные системы
Система с температурными доводчиками применяется для помещений с высокими нагрузками по скрытой теплоте, для реконструируемых зданий с существующими системами водяного отопления, для новых зданий, в которых на первом этапе предполагается осуществлять только отопление и вентиляцию, а охлаждение в более поздние сроки — посредством добавления воздухоохладителя в центральную установку. Наибольшее распространение получила, например, для музеев и картинных галерей. Позже стали применять двухканальные системы кондиционирования воздуха. Это системы, в которых наружный воздух смешивается с рециркуляционным, смесь охлаждается и осушается летом, увлажняется зимой, делится на два канала и в каждом потоке устанавливаются соответственно воздухонагреватель и воздухоохладитель. Возможна обработка воздуха в двух параллельных установках. Нагретый и охлажденный воздух по двум каналам поступает в помещения, где смешивается в необходимом соотношении, чтобы обеспечить заданную температуру воздуха в помещении.
В США и Европе двухканальные СКВ использовались значительно реже, чем водовоздушные. Незадолго до окончания Второй мировой войны появились новые идеи и их воплощение в архитектуре, связанные с применением новых строительных материалов — бетона и алюминия. Возросли нагрузки на систему кондиционирования воздуха за счет солнечной радиации, требовались новые схемные решения. Для снижения теплопоступлений от солнечной радиации через окна использовали специальные окна, внутренние жалюзи, реже — наружные солнцезащитные устройства.
Водовоздушные системы
Первая водовоздушная система с режимами охлаждения и отопления, включая использование теплового насоса, была запроектирована Д. Крокером в 1944 году.
Затраты на систему кондиционирования воздуха выросли на 10-25% по сравнению с обычными системами отопления и вентиляции. В качестве местных агрегатов использовались эжекционные доводчики, в том числе в зданиях послевоенной постройки, например в здании ООН в Нью-Йорке.
В водовоздушных системах, в отечественной практике называемых местно-центральными, в кондиционируемое помещение вводится воздух, обработанный в центральном кондиционере, и вода, несущая тепло или холод. Водовоздушные системы применяются для помещений со значительными явными тепловыделениями, где не требуется жесткое поддержание заданного значения относительной влажности воздуха. Они хорошо себя зарекомендовали за рубежом в офисных зданиях, больницах, гостиницах, школах, жилых зданиях, исследовательских лабораториях, могут применяться в многозональных производственных помещениях точного машиностроения, радиотехнической, фармацевтической, пищевой промышленности. В водовоздушных системах в качестве местных агрегатов, устанавливаемых в помещении, применяют эжекционные доводчики, вентиляторные доводчики, напольные конвекторы и охлаждающие панели.
Развитие отечественной индустрии кондиционирования воздуха
Начиная с 1930 года, в связи с индустриализацией, установками кондиционирования воздуха оборудуются предприятия точного машиностроения, пищевой, полиграфической, радиоэлектронной и тяжелой промышленности. До 1955 года отсутствовало серийно выпускаемое оборудование, установки кондиционирования воздуха разрабатывались по индивидуальным проектам и, как следствие, имели высокую стоимость.
В 1956-1957 гг. была разработана серия типовых центральных кондиционеров, а Харьковский машиностроительный завод «Кондиционер» начал серийный выпуск центральных кондиционеров из типовых секций производительностью 10, 20, 40 и 60 тыс. м³/час, а также нескольких типоразмеров местных агрегатов производительностью от 0,5 до 3,5 тыс. м³/час воздуха. Было положено начало отечественной промышленности по выпуску кондиционеров. Применение типового оборудования способствовало снижению капитальных, эксплуатационных затрат и сокращению сроков монтажа кондиционеров.
Строительство в 60-е годы XX века заводов искусственного волокна, химических заводов, полупроводниковой радиоэлектроники, военной и космической техники, а также новых типов общественных зданий потребовало развития массового производства центральных кондиционеров. С 1965 года началось проведение единой политики в области разработки и промышленного производства кондиционеров. В подчинении министерства строительного, дорожного и коммунального машиностроения СССР было создано производственное объединение «Кондиционер» и Всесоюзный научно-исследовательский институт «Кондиционер». В объединение вошли два завода. Харьковский машиностроительный завод «Кондиционер», производил центральные кондиционеры КТЦ производительностью по воздуху 31,5-250 тыс. м³/час и Кд производительностью по воздуху 10 и 20 тыс. м³/час. Домодедовский машиностроительный завод, освоил серийное производство местных агрегатных неавтономных и автономных шкафных и крановых кондиционеров производительностью от 0,5 до 20 тыс. мЗ/час.
Наши дни
Инновации в кондиционировании воздуха продолжаются, с современным акцентом на энергосохраняющие и высокоэффективные технологии улучшения воздуха в помещениях, как альтернатива хладагентам, содействующим глобальному потеплению, таким как R-134a в автомобилях и R-22, R-410A, используемых в кондиционерах для жилых помещений, в качестве альтернативы предложены природные вещества - CO2.
Охлаждающее оборудование для кондиционирования воздуха часто снижает влажность воздуха, циркулирующего в системе. Относительно холодная спираль испарителя конденсирует водяную пыль из обработанного воздуха( примерно так, как стакан с охлажденным напитком конденсирует воду на внешней стенке), посылая воду в сток и забираю водяную пыль из охлаждаемых помещений, таким образом понижая относительную влажность. Такие кондиционеры спроектированы для достижения относительной влажности от 40% до 60% , что является наиболее комфортным для человека.
В связи с загрязнением атмосферы, необходимостью защиты от уличного шума в настоящее время значительно расширилась сфера применения комфортных систем кондиционирования воздуха в зданиях различного назначения.
В настоящее время кондиционирование воздуха стало необходимым элементом инженерного оборудования жилых зданий. Специалисты все больше приходят к необходимости устройства механической регулируемой приточно-вытяжной вентиляции с регенерацией теплоты удаляемого воздуха в жилых зданиях. Опыт использования таких установок имеется в некоторых странах Европы, например, Германии, Швеции, Австрии.
В связи с остро стоящей энергетической проблемой в последние годы в Европе разрабатывают децентрализованные системы кондиционирования воздуха с регенерацией теплоты удаляемого воздуха и смешанные системы с использованием естественной вентиляции — «ночное проветривание», а также потенциала наружного воздуха для получения холодной воды — косвенное и комбинированное испарительное охлаждение.
Литература
- Белова Е.М. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях. — М.: Евроклимат, 2006. — 640 с.
- Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. — М.: Стройиздат, 1985. — 336 с.
Источники
Климат-Сервис История кондиционирования (рус.). Проверено 14 мая 2010.
См. также
| Это незавершённая статья. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. |
