El aire acondicionado , a menudo abreviado como A/C (EE. UU.) o air con (Reino Unido), [1] es el proceso de eliminar el calor de un espacio cerrado para lograr una temperatura interior más cómoda (a veces denominada "refrigeración de confort") y, en algunos casos, también controlar estrictamente la humedad del aire interior. El aire acondicionado se puede lograr utilizando un "acondicionador de aire" mecánico o por otros métodos, incluidos el enfriamiento pasivo y el enfriamiento ventilatorio . [2] [3] El aire acondicionado es miembro de una familia de sistemas y técnicas que proporcionan calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) . [4] Las bombas de calor son similares en muchos aspectos a los acondicionadores de aire, pero utilizan una válvula de inversión para permitirles calentar y enfriar un espacio cerrado. [5]
Los acondicionadores de aire, que normalmente utilizan refrigeración por compresión de vapor , varían en tamaño desde pequeñas unidades utilizadas en vehículos o habitaciones individuales hasta unidades masivas que pueden enfriar edificios grandes. [6] Las bombas de calor de fuente de aire , que se pueden utilizar tanto para calefacción como para refrigeración , son cada vez más comunes en climas más fríos.
Los acondicionadores de aire pueden reducir las tasas de mortalidad debido a las temperaturas más altas. [7] Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), en 2016 se utilizaron 1.600 millones de unidades de aire acondicionado en todo el mundo. [8] Las Naciones Unidas pidieron que la tecnología se hiciera más sostenible para mitigar el cambio climático y que se utilizaran alternativas, como la refrigeración pasiva, la refrigeración por evaporación , el sombreado selectivo, los captadores de viento y un mejor aislamiento térmico .
El aire acondicionado se remonta a la prehistoria. [9] En la antigua ciudad de Hamoukar , en la actual Siria , se encontraron viviendas con paredes dobles, con un espacio entre ellas para favorecer el flujo de aire. [10] Los edificios del Antiguo Egipto también utilizaban una amplia variedad de técnicas de aire acondicionado pasivo. [11] Estas se generalizaron desde la península Ibérica hasta el norte de África, Oriente Medio y el norte de la India. [12]
Las técnicas pasivas se mantuvieron muy difundidas hasta el siglo XX, cuando pasaron de moda y fueron sustituidas por el aire acondicionado eléctrico. Utilizando información de estudios de ingeniería de edificios tradicionales, las técnicas pasivas se están recuperando y modificando para los diseños arquitectónicos del siglo XXI. [13] [12]
Los acondicionadores de aire permiten que el ambiente interior de los edificios se mantenga relativamente constante, en gran medida independientemente de los cambios en las condiciones climáticas externas y las cargas térmicas internas. También permiten la creación de edificios de gran altura y han permitido que la gente viva cómodamente en las zonas más cálidas del mundo, pero ahora han sido criticados por contribuir significativamente al cambio climático debido a su alto consumo de electricidad y al calentamiento de su entorno inmediato en las grandes ciudades. [14] [15]
En 1558, Giambattista della Porta describió un método para enfriar el hielo a temperaturas muy por debajo de su punto de congelación mezclándolo con nitrato de potasio (entonces llamado "nitre") en su libro de divulgación científica Natural Magic . [16] [17] [18] En 1620, Cornelis Drebbel demostró "Convertir el verano en invierno" para Jacobo I de Inglaterra , enfriando parte del Gran Salón de la Abadía de Westminster con un aparato de comederos y cubas. [19] El contemporáneo de Drebbel , Francis Bacon , como della Porta, un creyente en la comunicación científica , puede no haber estado presente en la demostración, pero en un libro publicado más tarde ese mismo año, lo describió como "experimento de congelación artificial" y dijo que "El nitro (o más bien su espíritu) es muy frío, y por lo tanto el nitro o la sal cuando se agrega a la nieve o al hielo intensifica el frío de este último, el nitro al agregarse a su frío, pero la sal al proporcionar actividad al frío de la nieve ". [16]
En 1758, Benjamin Franklin y John Hadley , profesor de química de la Universidad de Cambridge , realizaron experimentos aplicando el principio de evaporación como un medio para enfriar un objeto rápidamente. Franklin y Hadley confirmaron que la evaporación de líquidos altamente volátiles (como el alcohol y el éter ) podía usarse para reducir la temperatura de un objeto más allá del punto de congelación del agua. Experimentaron con el bulbo de un termómetro de mercurio en vidrio como objeto. Usaron un fuelle para acelerar la evaporación . Bajaron la temperatura del bulbo del termómetro a -14 °C (7 °F) mientras que la temperatura ambiente era de 18 °C (64 °F). Franklin notó que poco después de pasar el punto de congelación del agua 0 °C (32 °F), se formó una fina película de hielo en la superficie del bulbo del termómetro y que la masa de hielo tenía aproximadamente 6 mm ( 1 ⁄ 4 in) de espesor cuando detuvieron el experimento al alcanzar los -14 °C (7 °F). Franklin concluyó: "A partir de este experimento, se puede ver la posibilidad de congelar a un hombre hasta la muerte en un cálido día de verano". [20]
El siglo XIX incluyó muchos avances en la tecnología de compresión. En 1820, el científico e inventor inglés Michael Faraday descubrió que comprimir y licuar amoniaco podía enfriar el aire cuando se dejaba que el amoniaco licuado se evaporara. [21] En 1842, el médico de Florida John Gorrie utilizó tecnología de compresores para crear hielo, que utilizó para enfriar el aire de sus pacientes en su hospital en Apalachicola, Florida . Esperaba utilizar eventualmente su máquina para hacer hielo para regular la temperatura de los edificios. [21] [22] Imaginó un aire acondicionado centralizado que pudiera enfriar ciudades enteras. Gorrie recibió una patente en 1851, [23] pero tras la muerte de su principal patrocinador, no pudo hacer realidad su invento. [24] En 1851, James Harrison creó la primera máquina mecánica para hacer hielo en Geelong, Australia , y en 1855 recibió una patente para un sistema de refrigeración por compresión de vapor de éter que producía tres toneladas de hielo por día. [25] En 1860, Harrison fundó una segunda empresa de hielo. Más tarde entró en el debate sobre la competencia contra la ventaja estadounidense de las ventas de carne de vacuno refrigerada con hielo al Reino Unido. [25]
La electricidad hizo posible el desarrollo de unidades eficaces. En 1901, el inventor estadounidense Willis H. Carrier construyó lo que se considera la primera unidad de aire acondicionado eléctrica moderna. [26] [27] [28] [29] En 1902, instaló su primer sistema de aire acondicionado, en la Sackett-Wilhelms Lithographing & Publishing Company en Brooklyn, Nueva York . [30] Su invento controlaba tanto la temperatura como la humedad, lo que ayudaba a mantener las dimensiones del papel y la alineación de la tinta consistentes en la planta de impresión. Más tarde, junto con otros seis empleados, Carrier formó The Carrier Air Conditioning Company of America , un negocio que en 2020 empleaba a 53.000 personas y estaba valorado en 18.600 millones de dólares. [31] [32]
En 1906, Stuart W. Cramer , de Charlotte, Carolina del Norte , estaba explorando formas de añadir humedad al aire en su fábrica textil. Cramer acuñó el término "aire acondicionado" en una solicitud de patente que presentó ese año, donde sugería que el aire acondicionado era análogo al "acondicionamiento por agua", un proceso entonces bien conocido para facilitar el procesamiento de los textiles. [33] Combinó la humedad con la ventilación para "acondicionar" y cambiar el aire en las fábricas; controlando así la humedad necesaria en las plantas textiles. Willis Carrier adoptó el término y lo incorporó al nombre de su empresa. [34]
El aire acondicionado doméstico se popularizó rápidamente. En 1914 se instaló el primer aire acondicionado doméstico en Minneapolis, en la casa de Charles Gilbert Gates . Sin embargo, es posible que el aparato de grandes dimensiones (aproximadamente 2,1 m × 1,8 m × 6,1 m) nunca se utilizara, ya que la casa permaneció deshabitada [21] (Gates ya había fallecido en octubre de 1913).
En 1931, HH Schultz y JQ Sherman desarrollaron lo que se convertiría en el tipo más común de acondicionador de aire individual para habitaciones: uno diseñado para colocarse en el alféizar de una ventana. Las unidades salieron a la venta en 1932 a un precio de entre 10.000 y 50.000 dólares (el equivalente a entre 200.000 y 1.100.000 dólares en 2023). [21] Un año después, se pusieron a la venta los primeros sistemas de aire acondicionado para automóviles . [35] Chrysler Motors presentó la primera unidad de aire acondicionado semiportátil práctica en 1935, [36] y Packard se convirtió en el primer fabricante de automóviles en ofrecer una unidad de aire acondicionado en sus automóviles en 1939. [37]
Las innovaciones de la segunda mitad del siglo XX permitieron un uso más generalizado de los acondicionadores de aire. En 1945, Robert Sherman, de Lynn, Massachusetts , inventó un acondicionador de aire portátil para ventanas que enfriaba, calentaba, humidificaba, deshumidificaba y filtraba el aire. [38] Los primeros acondicionadores de aire inverter se lanzaron en 1980-1981. [39] [40]
La adopción de aire acondicionado tiende a aumentar por encima de los $10,000 de ingresos anuales por hogar en áreas más cálidas. [41] El crecimiento del PIB mundial explica alrededor del 85% del aumento en la adopción de aire acondicionado para 2050, mientras que el 15% restante puede explicarse por el cambio climático . [41]
En 2016, se estimaba que se utilizaban 1.600 millones de unidades de aire acondicionado en todo el mundo, más de la mitad de ellas en China y EE. UU. , y una capacidad total de refrigeración de 11.675 gigavatios. [8] [42] La Agencia Internacional de Energía predijo en 2018 que el número de unidades de aire acondicionado crecería a alrededor de 4 mil millones de unidades para 2050 y que la capacidad total de refrigeración crecería a alrededor de 23.000 GW, con los mayores aumentos en India y China . [8] Entre 1995 y 2004, la proporción de hogares urbanos en China con aires acondicionados aumentó del 8% al 70%. [43] En 2015, casi 100 millones de hogares, o aproximadamente el 87% de los hogares estadounidenses, tenían sistemas de aire acondicionado. [44] En 2019, se estimó que el 90% de las nuevas viviendas unifamiliares construidas en los EE. UU. incluían aire acondicionado (entre el 99% en el sur y el 62% en el oeste ). [45] [46]
El enfriamiento en los sistemas de aire acondicionado tradicionales se logra mediante el ciclo de compresión de vapor, que utiliza la circulación forzada de un refrigerante y el cambio de fase entre gas y líquido para transferir calor. [47] [48] El ciclo de compresión de vapor puede ocurrir dentro de un equipo unitario o empaquetado; o dentro de un enfriador que está conectado a un equipo de enfriamiento terminal (como una unidad fan coil en un manipulador de aire) en su lado del evaporador y un equipo de rechazo de calor como una torre de enfriamiento en su lado del condensador. Una bomba de calor de fuente de aire comparte muchos componentes con un sistema de aire acondicionado, pero incluye una válvula de inversión , que permite que la unidad se use para calentar y enfriar un espacio. [49]
Los equipos de aire acondicionado reducirán la humedad absoluta del aire procesado por el sistema si la superficie del serpentín del evaporador es significativamente más fría que el punto de rocío del aire circundante. Un acondicionador de aire diseñado para un espacio ocupado normalmente alcanzará una humedad relativa del 30% al 60% en el espacio ocupado. [50]
La mayoría de los sistemas de aire acondicionado modernos cuentan con un ciclo de deshumidificación durante el cual el compresor funciona. Al mismo tiempo, el ventilador se ralentiza para reducir la temperatura del evaporador y condensar más agua. Un deshumidificador utiliza el mismo ciclo de refrigeración , pero incorpora tanto el evaporador como el condensador en el mismo recorrido de aire; el aire pasa primero por el serpentín del evaporador, donde se enfría [51] y se deshumidifica antes de pasar por el serpentín del condensador, donde se calienta de nuevo antes de liberarse nuevamente en la habitación. [ cita requerida ]
En ocasiones, se puede optar por el enfriamiento gratuito cuando el aire exterior es más frío que el aire interior. Por lo tanto, no es necesario utilizar el compresor, lo que da como resultado una alta eficiencia de enfriamiento para estos momentos. Esto también se puede combinar con el almacenamiento de energía térmica estacional . [52]
Algunos sistemas de aire acondicionado pueden invertir el ciclo de refrigeración y actuar como una bomba de calor de fuente de aire , calentando así en lugar de enfriar el ambiente interior. También se los conoce comúnmente como "acondicionadores de aire de ciclo inverso". La bomba de calor es significativamente más eficiente energéticamente que la calefacción por resistencia eléctrica , porque mueve la energía del aire o el agua subterránea al espacio calentado y el calor de la energía eléctrica comprada. Cuando la bomba de calor está en modo de calefacción, el serpentín del evaporador interior cambia de función y se convierte en el serpentín del condensador, produciendo calor. La unidad condensadora exterior también cambia de función para servir como evaporador y descarga aire frío (más frío que el aire exterior ambiental).
La mayoría de las bombas de calor de fuente de aire se vuelven menos eficientes en temperaturas exteriores inferiores a 4 °C o 40 °F. [53] Esto se debe en parte a que se forma hielo en el serpentín del intercambiador de calor de la unidad exterior, que bloquea el flujo de aire sobre el serpentín. Para compensar esto, el sistema de bomba de calor debe volver temporalmente al modo de aire acondicionado normal para cambiar el serpentín del evaporador exterior de nuevo al serpentín del condensador, para calentar y descongelar. Por lo tanto, algunos sistemas de bomba de calor tendrán calefacción por resistencia eléctrica en el camino del aire interior que se activa solo en este modo para compensar el enfriamiento temporal del aire interior, que de lo contrario sería incómodo en el invierno.
Los modelos más nuevos han mejorado el rendimiento en climas fríos, con una capacidad de calentamiento eficiente hasta −14 °F (−26 °C). [54] [53] [55] Sin embargo, siempre existe la posibilidad de que la humedad que se condensa en el intercambiador de calor de la unidad exterior se congele, incluso en modelos que han mejorado el rendimiento en climas fríos, lo que requiere que se realice un ciclo de descongelación.
El problema de la formación de hielo se agrava con temperaturas exteriores más bajas, por lo que a veces se instalan bombas de calor junto con una forma más convencional de calefacción, como un calentador eléctrico, una chimenea de gas natural , de aceite de calefacción o de leña o una calefacción central , que se utiliza en lugar de la bomba de calor o además de esta durante las temperaturas más duras del invierno. En este caso, la bomba de calor se utiliza de forma eficiente durante las temperaturas más suaves y el sistema cambia a la fuente de calor convencional cuando la temperatura exterior es más baja.
El coeficiente de rendimiento (COP) de un sistema de aire acondicionado es una relación entre la calefacción o refrigeración útil proporcionada y el trabajo requerido. [56] [57] Los COP más altos equivalen a menores costos operativos. El COP generalmente supera 1; sin embargo, el valor exacto depende en gran medida de las condiciones de operación, especialmente la temperatura absoluta y la temperatura relativa entre el disipador y el sistema, y a menudo se grafica o se promedia frente a las condiciones esperadas. [58] La potencia de los equipos de aire acondicionado en los EE. UU. se describe a menudo en términos de " toneladas de refrigeración ", cada una aproximadamente igual a la potencia de enfriamiento de una tonelada corta (2000 libras (910 kg) de hielo derritiéndose en un período de 24 horas. El valor es igual a 12 000 BTU IT por hora, o 3517 vatios . [59] Los sistemas de aire acondicionado centrales residenciales suelen tener una capacidad de entre 1 y 5 toneladas (3,5 a 18 kW). [ cita requerida ]
La eficiencia de los acondicionadores de aire se suele medir según el índice de eficiencia energética estacional (SEER), definido por el Instituto de Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración en su norma AHRI 210/240 de 2008, Calificación del rendimiento de equipos unitarios de aire acondicionado y bomba de calor de fuente de aire . [60] Una norma similar es el índice de eficiencia energética estacional europeo (ESEER). [ cita requerida ]
La eficiencia se ve fuertemente afectada por la humedad del aire que se va a enfriar. Deshumidificar el aire antes de intentar enfriarlo puede reducir los costos de enfriamiento posteriores hasta en un 90 por ciento. Por lo tanto, reducir los costos de deshumidificación puede afectar materialmente los costos generales del aire acondicionado. [61]
Este tipo de controlador utiliza un LED infrarrojo para transmitir comandos desde un control remoto al aire acondicionado. La salida del LED infrarrojo (como la de cualquier control remoto infrarrojo) es invisible para el ojo humano porque su longitud de onda está más allá del rango de la luz visible (940 nm). Este controlador se utiliza comúnmente en los acondicionadores de aire minisplit porque es simple y portátil. Algunos acondicionadores de aire centrales de ventana y de conductos también lo utilizan.
Un controlador cableado, también llamado "termostato cableado", es un dispositivo que controla un aire acondicionado encendiendo o apagando la calefacción o la refrigeración. Utiliza diferentes sensores para medir temperaturas y activar las operaciones de control. Los termostatos mecánicos suelen utilizar tiras bimetálicas , que convierten un cambio de temperatura en un desplazamiento mecánico, para activar el control del aire acondicionado. Los termostatos electrónicos, en cambio, utilizan un termistor u otro sensor semiconductor, que procesa el cambio de temperatura como señales electrónicas para controlar el aire acondicionado.
Estos controladores se utilizan generalmente en habitaciones de hotel porque están instalados permanentemente en una pared y conectados directamente a la unidad de aire acondicionado, lo que elimina la necesidad de baterías.
*donde la capacidad típica está en kilovatios de la siguiente manera:
Los sistemas sin ductos (a menudo mini-split, aunque ahora los hay mini-split con ductos) normalmente suministran aire acondicionado y calentado a una o varias habitaciones de un edificio, sin ductos y de manera descentralizada. [62] Los sistemas multizona o multi-split son una aplicación común de los sistemas sin ductos y permiten acondicionar hasta ocho habitaciones (zonas o ubicaciones) de forma independiente entre sí, cada una con su unidad interior y simultáneamente desde una única unidad exterior.
El primer sistema mini-split fue vendido en 1961 por Toshiba en Japón, y el primer aire acondicionado mini-split montado en la pared fue vendido en 1968 en Japón por Mitsubishi Electric , donde los tamaños de casas pequeñas motivaron su desarrollo. El modelo Mitsubishi fue el primer aire acondicionado con un ventilador de flujo cruzado . [63] [64] [65] En 1969, se vendió el primer aire acondicionado mini-split en los EE. UU. [66] Los sistemas sin ductos multizona fueron inventados por Daikin en 1973, y los sistemas de flujo de refrigerante variable (que pueden considerarse sistemas multi-split más grandes) también fueron inventados por Daikin en 1982. Ambos se vendieron por primera vez en Japón. [67] Los sistemas de flujo de refrigerante variable en comparación con el enfriamiento de la planta central desde un manipulador de aire , eliminan la necesidad de grandes conductos de aire frío, manipuladores de aire y enfriadores; En cambio, el refrigerante frío se transporta a través de tuberías mucho más pequeñas hasta las unidades interiores en los espacios que se van a acondicionar, lo que permite menos espacio sobre los falsos techos y un menor impacto estructural, al tiempo que permite un control de temperatura más individual e independiente de los espacios. Las unidades exteriores e interiores se pueden distribuir por todo el edificio. [68] Las unidades interiores de flujo de refrigerante variable también se pueden apagar individualmente en espacios no utilizados. [ cita requerida ] La menor potencia de arranque de los compresores inverter de CC de VRF y sus requisitos inherentes de energía de CC también permiten que las bombas de calor alimentadas por energía solar de VRF funcionen utilizando paneles solares que proporcionan CC.
Los acondicionadores de aire centrales de sistema dividido constan de dos intercambiadores de calor , una unidad exterior (el condensador ) desde donde se rechaza el calor al ambiente y un intercambiador de calor interno (el evaporador o unidad fan coil, FCU) con el refrigerante canalizado que circula entre los dos. Luego, la FCU se conecta a los espacios que se van a enfriar mediante conductos de ventilación . [69] Los acondicionadores de aire de piso son similares a este tipo de acondicionadores de aire, pero se ubican dentro de espacios que necesitan refrigeración.
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Las grandes plantas de refrigeración central pueden utilizar refrigerantes intermedios , como agua helada bombeada a unidades de tratamiento de aire o fan coils cerca o en los espacios que se van a enfriar, que luego canalizan o entregan aire frío a los espacios que se van a acondicionar, en lugar de canalizar el aire frío directamente a estos espacios desde la planta, lo que no se hace debido a la baja densidad y capacidad térmica del aire, lo que requeriría conductos imprácticamente grandes. El agua helada se enfría mediante enfriadores en la planta, que utilizan un ciclo de refrigeración para enfriar el agua, a menudo transfiriendo su calor a la atmósfera incluso en enfriadores enfriados por líquido mediante el uso de torres de enfriamiento . Los enfriadores pueden ser enfriados por aire o por líquido. [70] [71]
Un sistema portátil tiene una unidad interior sobre ruedas conectada a una unidad exterior a través de tuberías flexibles, similar a una unidad instalada fija de forma permanente (como un acondicionador de aire split sin ductos).
Los sistemas de mangueras, que pueden ser monobloque o aire-aire , se ventilan al exterior a través de conductos de aire. El tipo monobloque recoge el agua en un balde o bandeja y se detiene cuando está lleno. El tipo aire-aire reevapora el agua, la descarga a través de la manguera con conductos y puede funcionar de forma continua. Muchas, pero no todas, las unidades portátiles toman aire del interior y lo expulsan al exterior a través de un solo conducto, lo que afecta negativamente a su eficiencia general de refrigeración.
Muchos acondicionadores de aire portátiles vienen con función de calor y deshumidificación. [72]
Los acondicionadores de aire de terminal empaquetados (PTAC), los de pared y los de ventana son similares. Estas unidades se instalan en el marco de una ventana o en una abertura en la pared. La unidad suele tener una partición interna que separa sus lados interior y exterior, que contienen el condensador y el evaporador de la unidad, respectivamente. Los sistemas PTAC se pueden adaptar para proporcionar calefacción en climas fríos, ya sea directamente mediante el uso de una regleta eléctrica, gas u otros calentadores, o invirtiendo el flujo de refrigerante para calentar el interior y extraer calor del aire exterior, convirtiendo el acondicionador de aire en una bomba de calor . Se pueden instalar en una abertura en la pared con la ayuda de una manga especial en la pared y una rejilla personalizada que está al ras de la pared y los acondicionadores de aire de ventana también se pueden instalar en una ventana, pero sin una rejilla personalizada. [73]
Los acondicionadores de aire empaquetados (también conocidos como unidades autónomas) [74] [75] son sistemas centrales que integran en una única carcasa todos los componentes de un sistema central dividido, y entregan aire, posiblemente a través de conductos, a los espacios a enfriar. Dependiendo de su construcción pueden ser exteriores o interiores, sobre tejados ( unidades de techo ), [76] [77] toman el aire a acondicionar del interior o exterior de un edificio y pueden ser refrigerados por agua o aire. A menudo, las unidades exteriores se refrigeran por aire mientras que las interiores se refrigeran por líquido mediante una torre de refrigeración. [69] [78] [79] [80] [81] [82]
Este compresor consta de un cárter , un cigüeñal , un vástago del pistón , un pistón , un anillo del pistón , una culata y válvulas. [ cita requerida ]
Este compresor utiliza dos espirales entrelazadas para comprimir el refrigerante. [83] Consta de una espiral fija y otra en órbita. Este tipo de compresor es más eficiente porque tiene un 70 por ciento menos de partes móviles que un compresor alternativo. [ cita requerida ]
Este compresor utiliza dos rotores espirales que se engranan muy estrechamente para comprimir el gas. El gas entra por el lado de succión y se mueve a través de las roscas a medida que giran los tornillos. Los rotores engranados fuerzan el gas a pasar por el compresor y el gas sale por el extremo de los tornillos. El área de trabajo es el volumen entre lóbulos entre los rotores macho y hembra. Es más grande en el extremo de admisión y disminuye a lo largo de la longitud de los rotores hasta el puerto de escape. Este cambio en el volumen es la compresión. [ cita requerida ]
Existen varias formas de modular la capacidad de refrigeración en sistemas de refrigeración o aire acondicionado y calefacción . Las más comunes en aire acondicionado son: ciclos de encendido y apagado, bypass de gas caliente, uso o no de inyección de líquido, configuraciones de múltiples compresores en colectores, modulación mecánica (también llamada digital) y tecnología inverter. [ cita requerida ]
El bypass de gas caliente consiste en inyectar una cantidad de gas desde el lado de descarga al lado de succión. El compresor seguirá funcionando a la misma velocidad, pero debido al bypass, el caudal másico de refrigerante que circula por el sistema se reduce y, por lo tanto, la capacidad de refrigeración. Esto provoca naturalmente que el compresor funcione de forma inútil durante los periodos en los que está en funcionamiento el bypass. La capacidad de reducción varía entre el 0 y el 100 %. [84]
Se pueden instalar varios compresores en el sistema para proporcionar la máxima capacidad de refrigeración. Cada compresor puede funcionar o no para regular la capacidad de refrigeración de la unidad. La capacidad de reducción es de 0/33/66 o 100 % para una configuración de trío y de 0/50 o 100 % para una configuración en tándem. [ cita requerida ]
Esta modulación de la capacidad mecánica interna se basa en un proceso de compresión periódica con una válvula de control , en el que los dos conjuntos de espirales se separan y detienen la compresión durante un período de tiempo determinado. Este método varía el flujo de refrigerante modificando el tiempo medio de compresión, pero no la velocidad real del motor. A pesar de una excelente relación de reducción (del 10 al 100 % de la capacidad de refrigeración), los compresores de espiral modulados mecánicamente tienen un alto consumo de energía , ya que el motor funciona continuamente. [ cita requerida ]
Este sistema utiliza un variador de frecuencia (también llamado inversor) para controlar la velocidad del compresor. El caudal de refrigerante cambia según el cambio de velocidad del compresor. La relación de reducción depende de la configuración del sistema y del fabricante. Modula desde el 15 o 25 % hasta el 100 % a plena capacidad con un solo inversor y desde el 12 al 100 % con un tándem híbrido. Este método es la forma más eficiente de modular la capacidad de un aire acondicionado. Es hasta un 58 % más eficiente que un sistema de velocidad fija. [ cita requerida ]
En climas cálidos, el aire acondicionado puede prevenir golpes de calor , deshidratación por transpiración excesiva , trastornos electrolíticos , insuficiencia renal [8] además de otros problemas relacionados con la hipertermia . [85] Las olas de calor son el tipo de fenómeno meteorológico más letal en los Estados Unidos. [86] [87] Un estudio de 2020 encontró que las áreas con menor uso de aire acondicionado se correlacionaban con tasas más altas de mortalidad y hospitalizaciones relacionadas con el calor. [88] La ola de calor de agosto de 2003 en Francia resultó en aproximadamente 15.000 muertes, donde el 80% de las víctimas tenían más de 75 años. En respuesta, el gobierno francés exigió que todas las residencias de ancianos tuvieran al menos una habitación con aire acondicionado a 25 °C (77 °F) por piso durante las olas de calor. [8]
El aire acondicionado (incluyendo filtración, humidificación, refrigeración y desinfección) se puede utilizar para proporcionar una atmósfera limpia, segura e hipoalergénica en quirófanos de hospitales y otros entornos donde la atmósfera adecuada es fundamental para la seguridad y el bienestar del paciente. A veces se recomienda para uso doméstico por parte de personas con alergias , especialmente al moho . [89] [90] Sin embargo, las torres de refrigeración de agua mal mantenidas pueden promover el crecimiento y la propagación de microorganismos como Legionella pneumophila , el agente infeccioso responsable de la enfermedad del legionario . Siempre que la torre de refrigeración se mantenga limpia (normalmente mediante un tratamiento con cloro ), estos riesgos para la salud se pueden evitar o reducir. El estado de Nueva York ha codificado los requisitos para el registro, el mantenimiento y las pruebas de las torres de refrigeración para proteger contra Legionella . [91]
Diseñado inicialmente para beneficiar a industrias específicas como la prensa y las grandes fábricas, el invento se extendió rápidamente a agencias y administraciones públicas con estudios que afirmaban un aumento de la productividad cercano al 24% en lugares equipados con aire acondicionado. [92]
El aire acondicionado provocó varios cambios en la demografía, en particular en Estados Unidos a partir de la década de 1970. En Estados Unidos, la tasa de natalidad era menor en primavera que en otras estaciones hasta la década de 1970, pero esta diferencia luego disminuyó desde entonces. [93] En 2007, el Cinturón del Sol contenía el 30% de la población total de Estados Unidos, mientras que a principios del siglo XX estaba habitado por el 24% de los estadounidenses. [94] Además, la tasa de mortalidad estival en Estados Unidos, que había sido más alta en las regiones sujetas a una ola de calor durante el verano, también se estabilizó. [7]
La expansión del uso del aire acondicionado actúa como un impulsor principal del crecimiento de la demanda mundial de electricidad. [95] Según un informe de 2018 de la Agencia Internacional de Energía (AIE), se reveló que el consumo de energía para refrigeración en los Estados Unidos, que involucra a 328 millones de estadounidenses, supera el consumo de energía combinado de 4.4 mil millones de personas en África, América Latina, Oriente Medio y Asia (excluyendo China). [8] Una encuesta de 2020 encontró que aproximadamente el 88% de todos los hogares estadounidenses usan aire acondicionado, aumentando al 93% cuando solo se analizan las casas construidas entre 2010 y 2020. [96]
Según un informe de 2018 sobre la eficiencia del aire acondicionado realizado por la Agencia Internacional de la Energía , en 2016, el uso de energía para la refrigeración de espacios, incluido el aire acondicionado, representó a nivel mundial 2021 teravatios-hora de uso de energía, con alrededor del 99% en forma de electricidad. [8] El informe predice un aumento del uso de electricidad debido a la refrigeración de espacios a alrededor de 6200 TWh para 2050, [8] [97] y que con el progreso observado actualmente, las emisiones de gases de efecto invernadero atribuibles a la refrigeración de espacios se duplicarán: 1135 millones de toneladas (2016) a 2070 millones de toneladas. [8] Existe cierta presión para aumentar la eficiencia energética de los acondicionadores de aire. El Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) y la AIE descubrieron que si los acondicionadores de aire pudieran ser dos veces más efectivos que ahora, se podrían reducir 460 mil millones de toneladas de GEI en 40 años. [98] El PNUMA y la AIE también recomendaron legislación para disminuir el uso de hidrofluorocarbonos , mejorar el aislamiento de los edificios y establecer cadenas de suministro de alimentos con temperatura controlada más sostenibles en el futuro. [98]
Los refrigerantes también han causado y siguen causando graves problemas ambientales, incluyendo el agotamiento del ozono y el cambio climático , ya que varios países aún no han ratificado la Enmienda de Kigali para reducir el consumo y la producción de hidrofluorocarbonos . [99] Los refrigerantes CFC y HCFC como el R-12 y el R-22 , respectivamente, utilizados en los acondicionadores de aire han causado daños a la capa de ozono , [100] y los refrigerantes de hidrofluorocarbonos como el R-410a y el R-404a, que fueron diseñados para reemplazar a los CFC y los HCFC, están en cambio exacerbando el cambio climático . [101] Ambos problemas ocurren debido a la ventilación del refrigerante a la atmósfera, como durante las reparaciones. Los refrigerantes HFO , utilizados en algunos equipos nuevos, si no en la mayoría, resuelven ambos problemas con un potencial de daño al ozono (ODP) de cero y un potencial de calentamiento global (GWP) mucho menor en los dígitos uno o dos frente a los tres o cuatro dígitos de los hidrofluorocarbonos. [102]
Los hidrofluorocarbonos habrían aumentado las temperaturas globales en alrededor de 0,3–0,5 °C (0,5–0,9 °F) para el año 2100 sin la Enmienda de Kigali . Con la Enmienda de Kigali , se prevé que el aumento de las temperaturas globales para el año 2100 debido a los hidrofluorocarbonos sea de alrededor de 0,06 °C (0,1 °F). [103]
Las alternativas al aire acondicionado continuo incluyen la refrigeración pasiva , la refrigeración solar pasiva, la ventilación natural, el funcionamiento de persianas para reducir la ganancia solar, el uso de árboles, persianas arquitectónicas, ventanas (y el uso de revestimientos para ventanas) para reducir la ganancia solar . [ cita requerida ]
Los grupos socioeconómicos con un ingreso familiar por debajo de los $10,000 tienden a tener una baja adopción de aire acondicionado, [41] lo que empeora la mortalidad relacionada con el calor. [7] La falta de refrigeración puede ser peligrosa, ya que las áreas con un menor uso de aire acondicionado se correlacionan con tasas más altas de mortalidad y hospitalizaciones relacionadas con el calor. [88] Se proyecta que la mortalidad prematura en la ciudad de Nueva York crecerá entre un 47% y un 95% en 30 años, y las poblaciones de ingresos más bajos y vulnerables son las que corren mayor riesgo. [88] Los estudios sobre la correlación entre la mortalidad y las hospitalizaciones relacionadas con el calor y vivir en lugares socioeconómicamente bajos se pueden rastrear en Phoenix, Arizona, [104] Hong Kong, [105] China, [105] Japón, [106] e Italia. [107] [108] Además, los costos relacionados con la atención médica pueden actuar como otra barrera, ya que la falta de seguro médico privado durante una ola de calor de 2009 en Australia se asoció con la hospitalización relacionada con el calor. [108]
Las disparidades en el estatus socioeconómico y el acceso al aire acondicionado están vinculadas por algunos al racismo institucionalizado , que lleva a la asociación de comunidades marginadas específicas con un estatus económico más bajo, peor salud, residir en vecindarios más calurosos, participar en trabajos físicamente exigentes y experimentar un acceso limitado a tecnologías de refrigeración como el aire acondicionado. [108] Un estudio que evaluó Chicago, Illinois, Detroit y Michigan encontró que los hogares negros tenían la mitad de probabilidades de tener unidades de aire acondicionado centrales en comparación con sus contrapartes blancas. [109] Especialmente en las ciudades, Redlining crea islas de calor , aumentando las temperaturas en ciertas partes de la ciudad. [108] Esto se debe a los materiales de construcción y pavimentos que absorben el calor y la falta de vegetación y cobertura de sombra. [110] Ha habido iniciativas que brindan soluciones de refrigeración a comunidades de bajos ingresos, como espacios públicos de refrigeración . [8] [110]
Los edificios diseñados con aire acondicionado pasivo son generalmente menos costosos de construir y mantener que los edificios con sistemas HVAC convencionales con menores demandas de energía. [111] Si bien se pueden lograr decenas de cambios de aire por hora y un enfriamiento de decenas de grados con métodos pasivos, se debe tener en cuenta el microclima específico del sitio, lo que complica el diseño del edificio . [12]
Se pueden utilizar muchas técnicas para aumentar el confort y reducir la temperatura en los edificios, entre ellas, la refrigeración por evaporación, el sombreado selectivo, el viento, la convección térmica y el almacenamiento de calor. [112]
La ventilación pasiva es el proceso de introducir y extraer aire de un espacio interior sin utilizar sistemas mecánicos . Se refiere al flujo de aire exterior a un espacio interior como resultado de las diferencias de presión que surgen de las fuerzas naturales.
Existen dos tipos de ventilación natural en los edificios: la ventilación impulsada por el viento y la ventilación impulsada por la flotabilidad . La ventilación impulsada por el viento surge de las diferentes presiones creadas por el viento alrededor de un edificio o estructura, y de las aberturas que se forman en el perímetro que permiten el flujo a través del edificio. La ventilación impulsada por la flotabilidad se produce como resultado de la fuerza de flotabilidad direccional que resulta de las diferencias de temperatura entre el interior y el exterior. [113]
Dado que las ganancias de calor internas que crean diferencias de temperatura entre el interior y el exterior son creadas por procesos naturales, incluido el calor de las personas, y los efectos del viento son variables, los edificios con ventilación natural a veces se denominan "edificios que respiran".
El enfriamiento pasivo es un enfoque de diseño de edificios que se centra en el control de la ganancia de calor y la disipación de calor en un edificio con el fin de mejorar el confort térmico interior con un consumo de energía bajo o nulo. [114] [115] Este enfoque funciona ya sea evitando que el calor ingrese al interior (prevención de la ganancia de calor) o eliminando el calor del edificio (enfriamiento natural). [116]
El enfriamiento natural utiliza energía local, disponible en el entorno natural, combinada con el diseño arquitectónico de los componentes del edificio (por ejemplo, la envoltura del edificio ), en lugar de sistemas mecánicos para disipar el calor. [117] Por lo tanto, el enfriamiento natural depende no solo del diseño arquitectónico del edificio, sino también de cómo se utilizan los recursos naturales del sitio como disipadores de calor (es decir, todo lo que absorbe o disipa el calor). Algunos ejemplos de disipadores de calor locales son la atmósfera superior (cielo nocturno), el aire exterior (viento) y la tierra/suelo.
La refrigeración pasiva es una herramienta importante para el diseño de edificios que se adapten al cambio climático , reduciendo la dependencia del aire acondicionado de alto consumo energético en entornos en calentamiento. [118] [119]
Las superficies de enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) reflejan la radiación solar entrante y el calor de regreso al espacio exterior a través de la ventana infrarroja para enfriar durante el día. El enfriamiento radiativo diurno se hizo posible con la capacidad de suprimir el calentamiento solar utilizando estructuras fotónicas , que surgió a través de un estudio de Raman et al. (2014). [121] Los PDRC pueden venir en una variedad de formas, incluidos recubrimientos de pintura y películas, que están diseñados para tener una alta reflectancia solar y emitancia térmica . [120] [122]
Las aplicaciones de PDRC en techos y envolventes de edificios han demostrado reducciones significativas en el consumo y los costos de energía. [122] En áreas residenciales unifamiliares suburbanas , la aplicación de PDRC en techos puede reducir potencialmente los costos de energía entre un 26% y un 46%. [123] Se prevé que los PDRC muestren un tamaño de mercado de ~$27 mil millones para la refrigeración de espacios interiores para 2025 y han experimentado un aumento en la investigación y el desarrollo desde la década de 2010. [124] [125]
Los abanicos de mano existen desde la prehistoria . Entre los grandes abanicos accionados por el hombre que se construyen en los edificios se encuentran los punkah .
El inventor chino del siglo II, Ding Huan, de la dinastía Han, inventó un ventilador rotatorio para el aire acondicionado, con siete ruedas de 3 m (10 pies) de diámetro y accionado manualmente por prisioneros. [126] : 99, 151, 233 En 747, el emperador Xuanzong (r. 712-762) de la dinastía Tang (618-907) hizo construir el Salón Fresco ( Liang Dian 涼殿) en el palacio imperial, que el Tang Yulin describe como un lugar con ruedas de ventilador accionadas por agua para el aire acondicionado, así como chorros de agua ascendentes de fuentes. Durante la posterior dinastía Song (960-1279), las fuentes escritas mencionaron el ventilador rotatorio del aire acondicionado como un aparato aún más utilizado. [126] : 134, 151
En las zonas donde hace frío por la noche o en invierno, se utiliza el almacenamiento de calor. El calor puede almacenarse en tierra o mampostería; el aire pasa por la mampostería para calentarla o enfriarla. [13]
En áreas donde las temperaturas están por debajo del punto de congelación durante la noche en invierno, la nieve y el hielo se pueden recolectar y almacenar en casas de hielo para su uso posterior en refrigeración. [13] Esta técnica tiene más de 3.700 años de antigüedad en el Medio Oriente. [127] La recolección de hielo al aire libre durante el invierno y su transporte y almacenamiento para su uso en verano fue practicada por los europeos ricos a principios del siglo XVII, [16] y se hizo popular en Europa y las Américas hacia fines del siglo XVII. [128] Esta práctica fue reemplazada por las máquinas de hielo de ciclo de compresión mecánica .
En climas secos y cálidos, se puede aprovechar el efecto de enfriamiento por evaporación colocando agua en la entrada de aire, de modo que la corriente de aire atraiga el aire sobre el agua y luego hacia el interior de la casa. Por esta razón, a veces se dice que la fuente, en la arquitectura de los climas cálidos y áridos, es como la chimenea en la arquitectura de los climas fríos. [11] El enfriamiento por evaporación también hace que el aire sea más húmedo, lo que puede ser beneficioso en un clima desértico seco. [129]
Los enfriadores evaporativos tienden a dar la sensación de que no funcionan durante épocas de alta humedad, cuando no hay mucho aire seco con el que los enfriadores puedan trabajar para enfriar el aire lo más posible para los ocupantes de la vivienda. A diferencia de otros tipos de acondicionadores de aire, los enfriadores evaporativos dependen de que el aire exterior se canalice a través de paneles enfriadores que enfrían el aire antes de que llegue al interior de una casa a través de su sistema de conductos de aire; este aire exterior enfriado debe poder empujar el aire más cálido dentro de la casa hacia afuera a través de una abertura de escape, como una puerta o ventana abierta. [130]
En nuestro método observaré lo que han dicho nuestros antepasados; luego demostraré con mi propia experiencia si son verdaderos o falsos.
Aire acondicionado Cornelius Drebbel.
{{cite press release}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )Aunque en realidad no inventó el aire acondicionado ni adoptó el primer enfoque científico documentado para aplicarlo, a Willis Carrier se le atribuye la integración del método científico, la ingeniería y el negocio de esta tecnología en desarrollo y la creación de la industria que hoy conocemos como aire acondicionado.
{{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ) CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace ){{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )El enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) disipa el calor terrestre al espacio exterior extremadamente frío sin utilizar ningún aporte de energía ni producir contaminación. Tiene el potencial de aliviar simultáneamente los dos principales problemas de la crisis energética y el calentamiento global.
