O ar condicionado é a técnica de modificar, controlar e regular as condições climáticas ( temperatura , umidade , níveis de poeira , etc. ) de um interior por motivos de conforto (carros, escritórios, residências) ou por motivos técnicos ( laboratórios médicos , fabricação de componentes eletrônicos instalações, salas de cirurgia , salas de informática, etc. ).
Os parâmetros modificados, controlados ou regulados são:
Algumas das técnicas utilizadas são de idade e não alguns (invenção do refrigerador no XIX th século, por exemplo); os sistemas modernos tendem a combiná-los no mesmo dispositivo chamado de ar condicionado reversível (refrigeração no verão e aquecimento no inverno).
Em 2018, de acordo com a Agência Internacional de Energia , condicionadores de ar elétricos e ventiladores já consomem cerca de um quinto da eletricidade total dos edifícios em todo o mundo, ou 10% do consumo total de eletricidade, e espera-se um forte aumento até 2050 quando a esta taxa “ resfriamento ”poderia se tornar a principal fonte de consumo de eletricidade.
Os romanos usavam um túnel subterrâneo para trazer o ar externo, que era um verdadeiro ar condicionado, já que o ar que entrava na casa era invariavelmente em torno de 10-12 ° C inverno e verão (princípio do poço canadense )
Algumas cavernas ou lugares particularmente frios (cavernas, riachos de montanha, geleiras, etc. ) são usados para armazenar alimentos ou blocos de gelo por vários meses.
A partir do século XVI a atualização dos sistemas naturais, obtida pelo escoamento da água, ocasionando evaporação e diminuição da temperatura do ar. Na época de Luís XIV, o gelo era transportado das geleiras, protegido por uma camada isolante de palha.
Fim do XVIII th século, as redes de ar condicionado são criados com blocos de gelo incorporadas nas redes mesmo com ventilação forçada. Antes da invenção dos refrigeradores, o gelo era armazenado em um refrigerador (por exemplo, cortado no inverno em lagos). Era um buraco fechado por uma tampa isolante em que alternamos camadas de palha, ou serragem, e gelo. À medida que o ar frio desce e o calor sobe, com o orifício de enchimento no topo, a temperatura é mantida baixa e parte do gelo, assim armazenado, é mantido até o verão. O conceito de conforto de verão ainda é muito antigo, com projetos arquitetônicos que privilegiam as correntes de ar e protegem as áreas sob a luz solar direta do calor.
Em 1755 , o escocês William Cullen obteve um pouco de gelo introduzindo vapor d'água sob um "sino de vácuo".
A primeira tentativa real de uso industrial de refrigeração data de 1851, quando James Harrison , um impressor escocês que emigrou para a Austrália, comprou uma empresa jornalística. Ao limpar personagens com éter, ele nota que o líquido resfria fortemente o metal à medida que ele evapora. Harrison teve a ideia de comprimir o éter gasoso com uma bomba para transformá-lo em líquido, deixando então o éter líquido voltar ao estado gasoso, causando o resfriamento. Ele está implementando esse sistema em uma cervejaria australiana, onde o gás éter frio é bombeado por meio de canos que circulam pelo prédio. Harrison usa o mesmo princípio para fazer gelo, passando canos resfriados por gás éter na água. Mas ele faliu em 1860 porque o gelo natural que era importado de navio da América ainda era mais barato.
Um pouco mais tarde, avançando a tecnologia, passamos a fabricar sistemas simples de resfriamento operando com compressores de pistão (como os nossos refrigeradores atuais) principalmente no transporte marítimo, este último funcionava com éter que foi posteriormente substituído por de amônia que proporciona um melhor desempenho .
Em 1857 , Ferdinand Carré inventou a geladeira com água e amônia. Ele patenteou sua invenção nos Estados Unidos e na Feira Mundial de 1862 . Não deu certo para o mercado interno, mas encontrou sucesso nas cervejarias , para manter as bebidas frescas. A geladeira pode produzir entre 12 e 100 kg de gelo, dependendo do modelo.
O ar condicionado moderno foi inventado por Willis H. Carrier em 1902 com um sistema de refrigeração centrífugo com um compressor central para reduzir seu tamanho (não será revelado ao público até 1925, quando o Sr. Carrier convence a Paramount a instalá-lo durante a construção do Rivoli Theatre na Times Square . A lenda diz que os blockbusters de verão datam dessa época porque os nova-iorquinos, a partir de então, vão se instalar nos cinemas com ar-condicionado nos dias quentes de verão).
Em 2017 , de acordo com a IEA , cerca de 1,6 bilhão de condicionadores de ar estavam em operação no mundo, dos quais cerca de 50% estavam nos Estados Unidos e na China.
Com o aquecimento global e o desenvolvimento econômico, o número de condicionadores de ar está aumentando: cerca de 135 milhões de unidades vendidas por ano em 2017 (três vezes mais do que em 1990 ), incluindo 53 milhões de unidades na China, enquanto na Índia 4 Apenas% das residências estão equipadas. Quase 3.900 TWh de energia foram usados para resfriar casas e escritórios, refrigerar alimentos e remédios, etc. isso é cerca de 3 a 4% do consumo final de energia, de acordo com Toby Peters, da University of Birmingham, e 10% do consumo mundial de eletricidade, de acordo com a IEA.
Na França, os picos no consumo de eletricidade são no inverno e principalmente devido ao aquecimento elétrico . A necessidade de aquecimento torna-se quase nula no verão, o que torna possível manter as usinas no verão (quando a água de resfriamento está menos disponível). Mas em um número crescente de picos de consumo países são verão, induzida por condicionadores de ar, tornando-se preocupante para futuras redes de energia elétrica, especialmente porque a demanda por ar condicionado é esperado para "explodir nas próximas décadas", segundo o Internacional Development Agency. Energia ( IEA), o que poderia aumentar o consumo de energia usada para refrigeração e ar condicionado em cerca de 90% até 2050, de acordo com a Universidade de Birmingham no primeiro congresso mundial dedicado ao " frio limpo " (abril de 2018).
O ar condicionado oferece conforto térmico quando a temperatura externa é baixa ou alta. Entre as estações, a necessidade de ar condicionado varia, em conexão com entradas externas (solar em particular) e internas (grande número de ocupantes, aparelhos elétricos como iluminação, microcomputadores, etc. ).
O mesmo sistema ( bomba de calor reversível, de dimensões adaptadas ao uso) permite aquecer ou arrefecer as instalações conforme a necessidade.
O conforto higrométrico é cada vez mais levado em consideração para proporcionar umidade ambiente controlada por ações de umidificação e desumidificação, acionadas por um higrostato .
O princípio de operação de um ar condicionado é explicado no diagrama a seguir.
Um sistema de ar condicionado não deve apenas conter as cargas térmicas e de água de uma sala, mas também deve garantir a qualidade do ar pela renovação do ar fresco higiênico (manutenção do teor de CO 2 e odores em um nível aceitável definido pelas normas em vigor), e a filtragem do ar soprado.
A filtração pode ser feita por ar soprado ou devolvido , Renovação por extração forçada de ar para fora da sala ou por introdução forçada de ar fresco (ar externo) na sala, por renovação parcial do ambiente contaminado com ar (usando um caixa de mistura), ou por um filtro de poeira, possivelmente combinado com um filtro de carvão ativado.
Tipos de sistemasO campo da engenharia climática inclui três categorias de sistemas: plantas unizonas (veja o exemplo acima), plantas multizonas , sistemas autônomos, triomas .
Renovação de arA renovação do ar em uma sala pode ser feita usando diferentes sistemas:
Neste tipo de sistema, para evitar que o ar exterior polua o da sala, a pressão interna é ligeiramente aumentada em relação à pressão atmosférica. A vantagem da caixa de mistura é conseguir uma economia significativa de energia (respeito ao meio ambiente).
Nesse caso, portanto, há uma taxa de fluxo de massa de ar soprado maior do que a taxa de fluxo de massa do ar de retorno. Este tipo de processo é geralmente usado em escritórios, cinemas, etc.
Sistemas usados na reciclagem totalNum sistema de reciclagem total, a renovação do ar fresco é obtida quer por um sistema de ventilação mecânica controlada onde o ar é misturado directamente na divisão, quer o ar fresco é preparado numa chamada central "central". Ar fresco ”. Este ar é soprado diretamente para as condições internas da sala. Um circuito especial de ar fresco garante a renovação do ar fresco, e há uma vazão de ar de descarga igual à vazão de ar fresco fornecida.
Sistema de ar frescoNesse tipo de processo, não há reciclagem do ar da sala. Dependendo do tipo de sala, será com sobrepressão para evitar qualquer poluição do ar interno (salas de cirurgia, laboratórios farmacêuticos, etc. ) ou com pressão atmosférica.
A desvantagem deste tipo de instalação é que gera uma potência térmica muito elevada, pelo que não é muito económica. No entanto, a fim de reduzir os custos de energia, uma unidade de recuperação de calor (tipo placa, por exemplo) pode ser instalada nessas plantas.
Sistema operando com recuperação de energiaNo modo “frio”, o ar novo mais quente (que vem de fora) cede parte de seu calor (um trocador não é perfeito) para o ar usado através de um trocador (ar / ar) que permite baixar sua temperatura e assim economizar a energia a ser fornecida ao sistema de ar condicionado.
Inversamente, quando o sistema muda para o modo "quente", o ar quente expelido para o exterior aquece o novo ar antes de entrar no espaço climatizado, o que também permite poupanças como em alguns sistemas. Esse trocador é comumente conhecido como “caixa de fluxo duplo”.
Antes de instalar um sistema de ar condicionado, é importante definir as entradas de calor e umidade internas e externas.
Definição de condições externasEstes valores dependem da época do ano e da localização geográfica onde as instalações a serem climatizadas estarão localizadas. Os dados meteorológicos já classificados permitirão fixar as temperaturas seca e úmida . Estes dados permitirão calcular as potências máximas a implementar nas nossas instalações.
Definição de condições interioresA temperatura e a umidade internas dependem do tipo de sala.
Para instalações como residências individuais, escritórios, lojas de departamento, etc. (denominado ar condicionado "conforto"), a temperatura e a humidade vão depender das estações, mas também da quantidade de elementos que podem libertar humidade (número de clientes, saladas, vegetais, etc. ).
Para instalações do tipo industrial, a temperatura e a umidade dependerão do uso que será feito das instalações. Eles podem permanecer constantes ao longo do ano (sala de informática ou laboratório metrológico, por exemplo), mas também podem variar (cozimento descontínuo em uma fábrica de conservas).
Ao estudar um projeto de ar condicionado, para poder dimensionar a unidade de tratamento de ar corretamente, é importante primeiro estudar as cargas que a unidade terá de suportar. As chamadas cargas "sensíveis" e as chamadas cargas "latentes" devem ser levadas em consideração.
Cargas sensíveisCargas sensíveis vindas de fora são positivas no verão (por causa da luz solar, por exemplo) e negativas no inverno (por causa de perdas).
Cargas sensíveis vindas de dentro da sala vêm principalmente de:
As contribuições do calor latente (liberação de umidade na forma de vapor de água) vêm principalmente de:
A seguinte relação matemática fornece as cargas de água denominadas "[øL]":
øL = M × Lv [kW]com :
As cargas totais são a soma algébrica das cargas sensíveis e latentes denominadas [øT] . Pode ser positivo ou negativo e é dado pela seguinte relação matemática:
øT = øS + øL [kW]Se a temperatura e a umidade da sala forem constantes, seu balanço de energia pode ser explicado da seguinte forma:
Para fazer isso, será assumido que o fluxo de massa de ar soprado seco é igual ao fluxo de massa de ar devolvido:
A potência fornecida à divisão é a soma da potência fornecida pelo ar à divisão, ou seja, a øT (ver capítulo anterior).
o que permite determinar as condições de sopro.
Para determinar as condições de sopro de ar em uma sala, é necessário saber:
As condições do ponto de sopro (mais precisamente as condições de conforto) permitirão dimensionar os elementos da instalação:
O posicionamento do ponto de sopro em relação ao da sala depende das cargas sensíveis e latentes (entradas ou perdas).
Dependendo dos valores de carga, podemos considerar nove posições significativas do ponto de sopro em relação ao da sala. Dependendo do equilíbrio térmico (entradas ou perdas), podemos, portanto, prever a posição do ponto de sopro em relação ao da sala.
Discrepância na taxa de sopro e misturaA diferença de temperatura do ar fornecido representa a diferença algébrica entre a temperatura do ar fornecido e a temperatura ambiente:
Esta diferença é sempre positiva qualquer que seja a posição do ponto de sopro em relação ao da sala. Depende do tipo de boca utilizada.
Os seguintes valores podem ser considerados como uma primeira aproximação:
A taxa de mistura representa o volume de ar tratado renovado na sala por uma hora:
A taxa de mistura depende do tipo de saídas de ar instaladas. Não ultrapassa 15 no ar condicionado de conforto e pode ir até 30 no ar condicionado industrial.
A Agência Internacional de Energia (IEA) estima o consumo de eletricidade de condicionadores de ar em 2.000 TWh , ou 10% da demanda global de eletricidade; entre 1990 e 2016, sua capacidade instalada triplicou, chegando a quase 12.000 Gigawatts . A IEA prevê que a demanda por eletricidade de condicionadores de ar possa triplicar até 2050. Se o desenvolvimento da energia solar, abundante nas horas mais quentes, possibilitará absorver parte do consumo de ar condicionado, a AIE acredita que essa parcela permanecerá na minoria; aponta para o risco de crescimento das emissões de CO 2 ligada à produção de eletricidade a partir do gás ou do carvão.
Em 2016, apenas três países respondem por dois terços do estoque de aparelhos de ar-condicionado em operação: China (35,1%), Estados Unidos (23%) e Japão (9,2%); a participação da União Europeia é de apenas 6%. Na França, segundo a RTE , o ar condicionado e a ventilação consomem 3 TWh / ano no setor residencial e 15 TWh / ano no setor terciário e agricultura; esses consumos devem aumentar para 5 TWh / ano e 16,5 TWh / ano respectivamente em 2035. As redes de refrigeração não são muito desenvolvidas: 23 redes de refrigeração (Paris e seus subúrbios, Metz, Lyon, Bordéus, Toulouse, etc.) em apenas 200 quilômetros de comprimento, segundo a Ademe , contra 761 redes de aquecimento com 5.400 quilômetros de tubos em 2017.
Em 2019, mais da metade das geladeiras e aparelhos de ar condicionado fabricados no mundo vêm da cidade chinesa de Foshan .
Ar condicionado Power tem vantagens e desvantagens para a saúde , mas também riscos para a saúde e o meio ambiente.
Os condôminos e as assembléias gerais costumam aceitar a instalação de tais equipamentos sem medir o impacto.
Este equipamento emite perturbações sonoras contínuas que vão contra o espírito do artigo R. 1334-31 do Código de Saúde Pública que estipula que nenhum ruído particular deve, pela sua duração, repetição ou intensidade, afetar negativamente a tranquilidade do bairro ou a saúde humana , em local público ou privado.
Um ruído controversa é considerado como um problema de ruído quando o emergente ruído obtido pela diferença entre o ruído ambiente e o ruído controversa é maior do que 5 dB durante o dia (a partir de 7 a.m. para 10 p.m. ) e 3 dB durante a noite (a partir de 10 p.m. para 7 a.m. h ).
Os sistemas de ar condicionado são acusados de causar os seguintes riscos à saúde:
Quase todos os sistemas de ar condicionado possuem filtros , que devem ser limpos ou substituídos periodicamente; esta manutenção nem sempre é realizada.
O ar condicionado apresenta os seguintes problemas:
Certos produtos, como o brometo de lítio (LiBr), são perigosos para a saúde e o meio ambiente. Usado em máquinas de absorção (ar condicionado usando água, amônia e gás natural como fonte de energia, em uma máquina de absorção que produz água quente e gelada que pode ser usada simultaneamente) a uma taxa de centenas de litros (mais de 1000 litros frequentemente em ar industrial condicionadores), pode vazar e deve ser drenado por profissionais qualificados no final da vida útil da máquina.
Após a falência ou cessação das atividades de empresas cujas instalações estão equipadas com aparelhos de ar condicionado, às vezes é difícil saber o que aconteceu com esses produtos .
Além das normas relativas aos aparelhos, seu consumo elétrico, legionelose ou reciclagem dos materiais que os compõem, a legislação está evoluindo para melhor aplicar os protocolos de Montreal (proteção da camada de ozônio , que justificou o banimento de certos gases) e de Kyoto , mas muitas vezes permitindo o uso de estoques de produtos antigos e com certa lentidão.
A directiva europeia sobre o desempenho energético dos edifícios (2002/91 / CE) prevê uma inspecção periódica dos sistemas de ar condicionado e bombas de calor reversíveis com uma potência superior a 12 kW (excluindo "refrigeração industrial" sujeita a outros regulamentos). Esta inspeção inclui uma avaliação do desempenho do ar condicionado e seu dimensionamento em relação aos requisitos de refrigeração do edifício. Aconselhamento apropriado é dado aos usuários sobre uma possível melhoria ou substituição do sistema de ar condicionado e outras soluções possíveis.
Na França, para instalações antigas (instaladas antes de julho de 2011), a primeira inspeção deve ocorrer antes 31 de março de 2013para sistemas de 12 a 100 kW e antes31 de março de 2012para aqueles cuja potência é de 100 kW ou mais. Para novas instalações ou qualquer substituição, a inspeção deve ser realizada dentro de um ano após o comissionamento. As inspeções devem ser repetidas pelo menos uma vez a cada cinco anos.
Em França, o Código de energia inibe a operação dos aparelhos de ar condicionado, quando a temperatura das instalações é menos do que ou igual a 26 ° C . O decreto continua a ser apenas uma recomendação, cuja não aplicação não é processada por lei. O objetivo é simplesmente incentivar os usuários a moderar o uso desse tipo de equipamento.
Desde 4 de julho de 2009, especialistas em ar condicionado e / ou refrigeração devem:
A Qualiclimafroid, associação de profissionais, candidatou-se a entidade homologada e a emitir certificados de habilitação.
Nos chamados países emergentes (China, Índia, Indonésia, Brasil, Tailândia em particular), quando a renda de uma família aumenta, o ar-condicionado costuma ser uma das primeiras compras programadas; bilhões de novos eletrodomésticos devem ser instalados até 2050 (assim como geladeiras) que consumirão muita eletricidade hoje, principalmente de carvão ou gás ... portanto, emite gases de efeito estufa que aquecem o clima mundial (para cidades, um estudo de 2014 concluído a partir de uma simulação de que nos centros das cidades o ar condicionado aumenta a temperatura média noturna em 1 ° C. O cenário de tendência em 2018 é uma duplicação das emissões de CO 2induzido por ar condicionado de 2016 a 2050 ( " é como se estivéssemos adicionando uma África atual ao mundo, ou seja, quase um bilhão de toneladas de CO 2aproximadamente por ano ” ). A rápida urbanização desses países pode exacerbar ainda mais esse paradoxo. Nesse cenário, as necessidades de energia para resfriamento no mundo poderiam ser aumentadas para 7.500 TWh em 2050, ou "6,4% a 10% do consumo global de energia" em 2050, ou três a cinco vezes mais do que 2015 (levando em consideração a energia progresso da eficiência doar condicionado). O mercado associado pode ser de US $ 260 bilhões em 2050 (em comparação com US $ 140 bilhões em 2017).
De acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA), dos 2,8 bilhões de humanos que vivem nas regiões mais quentes do globo, apenas 8% se beneficiam do ar condicionado em 2017, ante 90% nos estados Unidos e Japão. A IEA prevê uma triplicação do consumo de energia para ar condicionado até 2050 com a tecnologia inalterada, chegando a 6.200 terawatts-hora. Na Índia, a demanda será multiplicada por quinze. Três países, Índia, China e Indonésia, sozinhos serão responsáveis por mais da metade do crescimento global, e o crescimento também será muito forte no Brasil, México e Oriente Médio. Emissões de CO 2relacionados ao ar condicionado praticamente dobrariam em trinta anos, para mais de dois bilhões de toneladas, apesar do desenvolvimento de uma eletricidade cada vez mais limpa. A IEA estima que, atuando na eficiência energética dos equipamentos de ar condicionado, poderemos mais que dobrar o desempenho da base instalada até 2050 e, portanto, reduzir a demanda de energia para 3.400 terawatts-hora.
Em 2017, foi desenvolvido um metamaterial constituído por um polímero encapsulado em microesferas e completado com uma fina camada de prata na face posterior (50 µm de espessura), que poderá futuramente contribuir para a climatização de edifícios residenciais. O princípio é que, para evitar que durante o dia, mais energia solar seja absorvida do que radiação térmica reemitida , o metamaterial é transparente ao espectro solar refletido pela camada de prata na face posterior, embora tenha uma forte emissividade no infravermelho (radiação de calor). Ele pode, portanto, perder energia mesmo durante o dia, enquanto os materiais normais absorvem o espectro solar e, portanto, aquecem durante o dia. O comportamento térmico deste tipo de metamaterial é radicalmente diferente daquele dos corpos naturais ou usuais cuja absorção igual à emissividade , enquanto para este metamaterial, a absorção é próxima de 0, enquanto a emissividade é próxima de 1. O resfriamento de a construção ocorre porque seu calor é transferido por condução térmica para a camada de metamaterial depositado em sua superfície, que então o evacua. “ 10 a 20 m 2 desse material no telhado de uma casa é suficiente para resfriá-la bem no verão”, segundo Gang Tan, professor assistente de engenharia arquitetônica da Universidade de Wyoming , co-descobridor da técnica. Um protótipo de "fazenda de resfriamento" (200 m 2 ) está planejado para 2017 em Boulder , Colorado ). Este filme de metamaterial reflete com eficiência o infravermelho da energia solar de volta para a atmosfera, sem evitar que o objeto coberto também perca o calor que armazenou.
Criada em 1966-1967, a obra conceitual Air-Conditioning Show , literalmente “ Air-Conditioning Show ”, exibe o sistema de ar condicionado do museu ou instituição que acolhe a obra.