El aire acondicionado , a menudo abreviado como A/C (EE. UU.) o aire acondicionado (Reino Unido), [1] es el proceso de eliminar el calor de un espacio cerrado para lograr un ambiente interior más confortable (a veces denominado "refrigeración confortable") y en algunos casos también controlando estrictamente la humedad del aire interior. El aire acondicionado se puede lograr utilizando un "acondicionador de aire" mecánico o mediante otros métodos, incluido el enfriamiento pasivo y el enfriamiento por ventilación . El aire acondicionado es miembro de una familia de sistemas y técnicas que proporcionan calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) . 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.
Los acondicionadores de aire, que normalmente utilizan refrigeración por compresión de vapor , varían en tamaño desde unidades pequeñas utilizadas en vehículos o habitaciones individuales hasta unidades masivas que pueden enfriar edificios grandes. [2] Las bombas de calor de fuente de aire , que pueden usarse tanto para calefacción como para refrigeración , son cada vez más comunes en climas más fríos.
Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), en 2018, se instalaron 1.600 millones de unidades de aire acondicionado, lo que representó aproximadamente el 20% del uso de electricidad en los edificios a nivel mundial, y se espera que la cantidad aumente a 5.600 millones para 2050. [3 ] Las Naciones Unidas pidieron que la tecnología sea más sostenible para mitigar el cambio climático y el uso de alternativas, como enfriamiento pasivo, enfriamiento por evaporación , sombreado selectivo, atrapavientos y un mejor aislamiento térmico . Los refrigerantes CFC y HCFC , como R-12 y R-22, respectivamente, utilizados en los acondicionadores de aire han causado daños a la capa de ozono , [4] y los refrigerantes HFC, como R-410a y R-404a, que fueron diseñados para reemplazar a los CFC. y los HCFC, están en cambio exacerbando el cambio climático . [5] Ambos problemas ocurren debido a la ventilación de refrigerante a la atmósfera, como durante las reparaciones. Los refrigerantes HFO , utilizados en algunos, si no en la mayoría, de los equipos nuevos, resuelven ambos problemas con un potencial de daño al ozono (ODP) de cero y un potencial de calentamiento global (GWP) mucho más bajo, de uno o dos dígitos frente a los tres o cuatro dígitos de los HFC. . [6]
El aire acondicionado se remonta a la prehistoria. En la antigua ciudad de Hamoukar , en la Siria moderna, se encontraron viviendas de doble pared, con un espacio entre las dos paredes para favorecer el flujo de aire . [7] Los edificios del antiguo Egipto también utilizaban una amplia variedad de técnicas de aire acondicionado pasivo. [8] Estos se generalizaron desde la Península Ibérica hasta el norte de África, el Medio Oriente y el norte de la India. [9]
Las técnicas pasivas siguieron estando muy extendidas hasta el siglo XX, cuando pasaron de moda y fueron sustituidas por el aire acondicionado motorizado. Utilizando información de estudios de ingeniería de edificios tradicionales, se están reviviendo y modificando técnicas pasivas para los diseños arquitectónicos del siglo XXI. [10] [9]
Los acondicionadores de aire permiten que el ambiente interior del edificio permanezca relativamente constante, en gran medida independiente de los cambios en las condiciones climáticas externas y las cargas de calor internas. También permiten la creación de edificios de planta profunda y han permitido que la gente viva cómodamente en las zonas más cálidas del mundo. [11]
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 "nitro") en su libro de divulgación científica Natural Magic . [12] [13] [14] En 1620, Cornelis Drebbel demostró "Convertir el verano en invierno" para Jaime I de Inglaterra , enfriando parte del Gran Salón de la Abadía de Westminster con un aparato de bebederos y cubas. [15] Francis Bacon , contemporáneo de Drebbel , creyente al igual que Della Porta en la comunicación científica , puede no haber estado presente en la manifestación, pero en un libro publicado más tarde ese mismo año, lo describió como "un experimento de congelación artificial" y dijo que " El nitro (o más bien su espíritu) es muy frío, y por eso el nitro o la sal, cuando se añade a la nieve o al hielo, intensifica el frío de este último; el nitro, al añadirse a su frío, pero la sal, al proporcionar actividad al frío de la nieve. " [12]
En 1758, Benjamin Franklin y John Hadley , profesor de química de la Universidad de Cambridge , realizaron experimentos aplicando el principio de evaporación como medio para enfriar un objeto rápidamente. Franklin y Hadley confirmaron que la evaporación de líquidos altamente volátiles (como el alcohol y el éter ) podría 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 de 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 pulgadas) de espesor. cuando detuvieron el experimento al alcanzar -14 °C (7 °F). Franklin concluyó: "A partir de este experimento, uno puede ver la posibilidad de congelar a un hombre hasta morir en un cálido día de verano". [dieciséis]
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 amoníaco podía enfriar el aire cuando se dejaba que el amoníaco licuado se evaporara. [17] 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 de Apalachicola, Florida . Esperaba poder utilizar su máquina de hacer hielo para regular la temperatura de los edificios. [17] [18] Imaginó aire acondicionado centralizado que podría enfriar ciudades enteras. A Gorrie se le concedió una patente en 1851, pero tras la muerte de su principal patrocinador, no pudo realizar su invento. [19] En 1851, James Harrison creó la primera máquina mecánica para fabricar hielo en Geelong, Australia , y en 1855 se le concedió una patente para un sistema de refrigeración por compresión de vapor de éter que producía tres toneladas de hielo por día. [20] En 1860, Harrison fundó una segunda empresa de hielo y más tarde entró en el debate sobre cómo competir contra la ventaja estadounidense de las ventas de carne de vacuno refrigerada con hielo al Reino Unido. [20]
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. [21] [22] [23] [24] En 1902, instaló su primer sistema de aire acondicionado en la Sackett-Wilhelms Lithographing & Publishing Company en Brooklyn, Nueva York . [25] Su invento controlaba tanto la temperatura como la humedad, lo que ayudaba a mantener las dimensiones del papel y la alineación de la tinta constantes en la planta de impresión. Posteriormente, junto con otros seis empleados, Carrier formó The Carrier Air Conditioning Company of America , una empresa que en 2020 empleaba a 53.000 personas y estaba valorada en 18.600 millones de dólares. [26] [27]
En 1906, Stuart W. Cramer de Charlotte, Carolina del Norte , estaba explorando formas de agregar humedad al aire en su fábrica textil. Cramer acuñó el término "aire acondicionado" en una solicitud de patente que presentó ese año como análogo al "acondicionamiento del agua", entonces un proceso muy conocido para hacer que los textiles fueran más fáciles de procesar. Combinó la humedad con la ventilación para "acondicionar" y cambiar el aire de las fábricas; controlando así la humedad necesaria en las plantas textiles. Willis Carrier adoptó el término y lo incorporó al nombre de su empresa. [28]
El aire acondicionado doméstico pronto despegó. En 1914, se instaló el primer aire acondicionado doméstico en Minneapolis , en la casa de Charles Gilbert Gates . Sin embargo, es posible que el considerable dispositivo (c. 2,1 m × 1,8 m × 6,1 m; 7 pies × 6 pies × 20 pies) nunca se haya utilizado, ya que la casa permaneció deshabitada [ 17] (Gates ya había muerto en octubre 1913).
En 1931, HH Schultz y JQ Sherman desarrollaron lo que se convertiría en el tipo más común de aire acondicionado para habitaciones individuales: uno diseñado para colocarse en el alféizar de una ventana. Las unidades salieron a la venta en 1932 entre 10.000 y 50.000 dólares (el equivalente a 200.000 y 1.100.000 dólares en 2022). [17] Un año después, se pusieron a la venta los primeros sistemas de aire acondicionado para automóviles . [29] Chrysler Motors introdujo la primera unidad de aire acondicionado semiportátil práctica en 1935, [30] y Packard se convirtió en el primer fabricante de automóviles en ofrecer una unidad de aire acondicionado en sus automóviles en 1939. [31]
Las innovaciones de la segunda mitad del siglo XX permitieron un uso más ubicuo del aire acondicionado. En 1945, Robert Sherman de Lynn, Massachusetts , inventó un aire acondicionado portátil de ventana que enfriaba, calentaba, humidificaba, deshumidificaba y filtraba el aire. [32] Los primeros aires acondicionados inverter se lanzaron en 1980-1981. [33] [34]
A medida que el desarrollo internacional ha aumentado la riqueza en todos los países, el uso global de acondicionadores de aire ha aumentado. Se estima que en 2018 se instalaron en todo el mundo 1.600 millones de unidades de aire acondicionado, [35] y la Agencia Internacional de Energía espera que esta cifra aumente a 5.600 millones de unidades en 2050. [3] Entre 1995 y 2004, la proporción de hogares urbanos en China con los aires acondicionados aumentaron del 8% al 70%. [36] En 2015, casi 100 millones de hogares, o alrededor del 87% de los hogares estadounidenses, tenían sistemas de aire acondicionado. [37] En 2019, se estimó que el 90% de las nuevas viviendas unifamiliares construidas en los EE. UU. incluían aire acondicionado (que van desde el 99% en el sur hasta el 62% en el oeste ). [38] [39]
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. 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 controlador de aire) en su lado del evaporador y a 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. [40]
El equipo de aire acondicionado reducirá 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. [41]
La mayoría de los sistemas de aire acondicionado modernos cuentan con un ciclo de deshumidificación durante el cual funciona el compresor. 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 la misma ruta de aire; el aire pasa primero sobre el serpentín del evaporador, donde se enfría [42] y se deshumidifica antes de pasar sobre el serpentín del condensador, donde se calienta nuevamente antes de ser liberado nuevamente a la habitación. [ cita necesaria ]
A veces se puede seleccionar el enfriamiento gratuito cuando el aire externo es más frío que el aire interno. Por lo tanto, no es necesario utilizar el compresor, lo que da como resultado altas eficiencias de enfriamiento para estos momentos. Esto también puede combinarse con el almacenamiento de energía térmica estacional . [43]
Algunos sistemas de aire acondicionado pueden invertir el ciclo de refrigeración y actuar como una bomba de calor con fuente de aire . De este modo, calienta en lugar de enfriar el ambiente interior. También se les 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 energía del aire o del agua subterránea al espacio calentado, así como el calor de la energía eléctrica comprada. El serpentín del evaporador interior cambia de función cuando la bomba de calor está en modo calefacción. Se convierte en el serpentín del condensador y produce calor. La unidad condensadora exterior también cambia de función para servir como evaporador. Descarga aire frío (más frío que el aire ambiente exterior).
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. [44] Esto se debe en parte a que se forma hielo en el serpentín del intercambiador de calor de la unidad exterior, lo 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 al serpentín del condensador, para calentar y descongelar. Por lo tanto, algunos sistemas de bomba de calor tendrán calefacción por resistencia eléctrica en el recorrido del aire interior que se activa sólo en este modo para compensar el enfriamiento temporal del aire interior, que de otro modo sería incómodo en invierno.
Los modelos más nuevos tienen un rendimiento mejorado en climas fríos, con una capacidad de calefacción eficiente de hasta -14 °F (-26 °C). [45] [44] [46] 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 tienen un rendimiento mejorado en climas fríos, lo que requiere la realización de un ciclo de descongelación. .
El problema de la formación de hielo se vuelve mucho más grave con temperaturas exteriores más bajas, por lo que a veces las bombas de calor se instalan junto con una forma más convencional de calefacción, como un calentador eléctrico, uno de gas natural , gasóleo , una chimenea de leña o una calefacción central . que se utiliza en lugar de o además de la bomba de calor durante las temperaturas invernales más duras. En este caso, la bomba de calor se utiliza de manera eficiente durante temperaturas más suaves y el sistema se 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. [47] [48] COP más altos equivalen a costos operativos más bajos. El COP suele superar 1; sin embargo, el valor exacto depende en gran medida de las condiciones operativas, especialmente la temperatura absoluta y la temperatura relativa entre el disipador y el sistema, y a menudo se representa gráficamente o se promedia con las condiciones esperadas. [49] La potencia de los equipos de aire acondicionado en los EE. UU. se describe a menudo en términos de " toneladas de refrigeración ", cada una de las cuales es aproximadamente igual a la potencia de enfriamiento de una tonelada corta (2000 libras (910 kg) de hielo que se derrite en un período de 24 horas. El valor es igual a 12.000 BTU IT por hora, o 3.517 vatios . [50] Los sistemas de aire central residenciales suelen tener una capacidad de 1 a 5 toneladas (3,5 a 18 kW). [ cita requerida ]
La eficiencia de los acondicionadores de aire a menudo se clasifica mediante 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, Clasificación de rendimiento de aire acondicionado unitario y fuente de aire. Equipos de bomba de calor . [51] Una norma similar es el índice europeo de eficiencia energética estacional (ESEER). [ cita necesaria ]
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. Este controlador se usa comúnmente en aires acondicionados mini-split porque es simple y portátil.
Un controlador con cable, también llamado "termostato con cable", es un dispositivo que controla un aire acondicionado encendiendo o apagando la calefacción o la refrigeración. Utiliza diferentes tipos de sensores para medir temperaturas y accionar operaciones de control. Los termostatos mecánicos suelen utilizar tiras bimetálicas , que convierten un cambio de temperatura en desplazamiento mecánico, para accionar el control del aire acondicionado. Los termostatos electrónicos, en cambio, utilizan un termistor u otro sensor semiconductor, procesando los cambios 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 hay mini-split con ductos) generalmente suministran aire acondicionado y calentado a una o varias habitaciones de un edificio, sin conductos y de manera descentralizada. [52] Los sistemas multizona o multisplit 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 propia 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 de pared fue vendido en 1968 en Japón por Mitsubishi Electric , donde el tamaño pequeño de las casas motivó su desarrollo. El modelo Mitsubishi fue el primer aire acondicionado en tener un ventilador de flujo cruzado . [53] [54] [55] En 1969, se vendió el primer aire acondicionado mini-split en Estados Unidos. [56] Daikin inventó los sistemas sin ductos multizona en 1973, y Daikin también inventó los sistemas de flujo de refrigerante variable (que pueden considerarse como sistemas multi-split más grandes) en 1982. Ambos se vendieron por primera vez en Japón. [57] Los sistemas de flujo de refrigerante variable, en comparación con el enfriamiento de la planta central desde un controlador de aire , eliminan la necesidad de grandes conductos de aire frío, controladores de aire y enfriadores; en cambio, el refrigerante frío se transporta a través de tuberías mucho más pequeñas a las unidades interiores en los espacios a acondicionar, lo que permite menos espacio sobre los falsos techos y un menor impacto estructural, al mismo tiempo que permite un control de temperatura más individual e independiente de los espacios y el exterior. y las unidades interiores se pueden distribuir por todo el edificio. [58] Las unidades interiores de flujo de refrigerante variable también se pueden apagar individualmente en espacios no utilizados. [ cita necesaria ] La menor potencia de arranque de los compresores inversores de CC de VRF y sus requisitos inherentes de energía de CC también permiten que las bombas de calor alimentadas por energía solar 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 la cual se rechaza el calor al ambiente y un intercambiador de calor interno (la unidad fan coil (FCU), unidad de tratamiento de aire o evaporador ) con el el refrigerante por tubería circula entre los dos. Luego, la FCU se conecta a los espacios a enfriar mediante conductos de ventilación . [59]
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Las grandes plantas de refrigeración central pueden utilizar refrigerante intermedio , como agua enfriada bombeada a unidades de tratamiento de aire o unidades fan-coil cerca o dentro de los espacios a enfriar, que luego canalizan o entregan aire frío a los espacios a acondicionar, en lugar de canalizar el aire frío directamente a estos. espacios de la planta, lo que no se hace debido a la baja densidad y capacidad calorífica del aire, lo que requeriría conductos imprácticamente grandes. El agua enfriada se enfría mediante enfriadores en la planta, que utiliza un ciclo de refrigeración para enfriar el agua y, a menudo, transfiere su calor a la atmósfera incluso en enfriadores enfriados por líquido mediante el uso de torres de enfriamiento . Los enfriadores pueden estar enfriados por aire o por líquido. [ cita necesaria ]
Un sistema portátil tiene una unidad interior sobre ruedas conectada a una unidad exterior mediante tubos flexibles, similar a una unidad instalada permanentemente fija (como un aire acondicionado split sin ductos).
Los sistemas de mangueras, que pueden ser monobloque o aire-aire , se ventilan al exterior mediante conductos de aire. El tipo monobloque recoge el agua en un balde o bandeja y se detiene cuando está lleno. El tipo aire-aire vuelve a evaporar el agua y la descarga a través de la manguera con conductos y puede funcionar de forma continua. Estas unidades portátiles extraen aire del interior y lo expulsan al exterior a través de un único conducto, lo que afecta negativamente a su eficiencia de refrigeración general.
Muchos acondicionadores de aire portátiles vienen con calefacción y función de deshumidificación. [60]
Los aires acondicionados 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 de pared y la unidad generalmente tiene una partición interna que separa los 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 aire acondicionado en un bomba de calor . Se pueden instalar en una abertura de pared con la ayuda de una funda especial en la pared y una parrilla personalizada que quede al ras de la pared y los aires acondicionados de ventana también se pueden instalar en una ventana, pero sin una parrilla personalizada. [61]
Los acondicionadores de aire empaquetados (también conocidos como unidades autónomas) [62] [63] son sistemas centrales que integran en una sola 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 ( Roof Units ), [64] [65] extraen el aire a acondicionar del interior o exterior de un edificio y están refrigerados por agua o aire. A menudo, las unidades exteriores se enfrían por aire mientras que las interiores se enfrían por líquido mediante una torre de enfriamiento. [59] [66] [67 ] [68] [69] [70]
Este compresor consta de un cárter , cigüeñal , vástago , pistón , aro de pistón , culata y válvulas. [ cita necesaria ]
Este compresor utiliza dos espirales entrelazadas para comprimir el refrigerante. Consiste en un pergamino fijo y otro en órbita. Este tipo de compresor es más eficiente porque tiene un 70 por ciento menos de piezas móviles que un compresor alternativo. [ cita necesaria ]
Este compresor utiliza dos rotores en espiral que 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 través del 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 los rotores hasta el puerto de escape. Este cambio de volumen es la compresión. [ cita necesaria ]
Existen varias formas de modular la capacidad frigorífica en sistemas de refrigeración o aire acondicionado y calefacción . Los más comunes en aire acondicionado son: ciclos on-off, bypass de gas caliente, uso o no de inyección de líquido, configuraciones múltiples de múltiples compresores, modulación mecánica (también llamada digital) y tecnología inverter. [ cita necesaria ]
El bypass de gas caliente implica inyectar una cantidad de gas desde la descarga hacia el lado de succión. El compresor seguirá funcionando a la misma velocidad, pero debido al bypass, se reduce el flujo másico de refrigerante que circula por el sistema y, por tanto, la capacidad de refrigeración. Naturalmente, esto hace que el compresor funcione inútilmente durante los períodos en que el bypass está funcionando. La capacidad de reducción varía entre 0 y 100%. [71]
Se pueden instalar varios compresores en el sistema para proporcionar la máxima capacidad de refrigeración. Cada compresor puede funcionar o no para ajustar la capacidad de refrigeración de la unidad. La capacidad de reducción es 0/33/66 o 100% para una configuración trío y 0/50 o 100% para una configuración tándem. [ cita necesaria ]
Esta modulación de la capacidad mecánica interna se basa en un proceso de compresión periódica con una válvula de control , los dos conjuntos de espirales se separan deteniendo la compresión durante un período de tiempo determinado. Este método varía el flujo de refrigerante cambiando el tiempo promedio 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 scrolls modulados mecánicamente tienen un alto consumo de energía ya que el motor funciona continuamente. [ cita necesaria ]
Este sistema utiliza un variador de frecuencia (también llamado inversor) para controlar la velocidad del compresor. El caudal de refrigerante cambia por el cambio en la 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 del 12 al 100% con 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 necesaria ]
El aumento de las temperaturas que conduce a olas de calor más extremas afecta desproporcionadamente a quienes pertenecen a grupos socioeconómicos bajos , ya que carecen de acceso a unidades de refrigeración espacial.
El costo de tener aire acondicionado en la residencia incluye la unidad y el alto consumo de instalación, mantenimiento y energía. Esto a menudo conduce a disparidades en el acceso a la refrigeración, lo que exacerba las desigualdades durante las olas de calor extremas. La falta de refrigeración puede ser peligrosa, ya que las áreas con menor uso de aire acondicionado se correlacionan con tasas más altas de mortalidad y hospitalizaciones relacionadas con el calor. [72] Se prevé que la mortalidad prematura en la ciudad de Nueva York crecerá entre un 47 % y un 95 % en 30 años, siendo las poblaciones vulnerables y de menores ingresos las que corren mayor riesgo. [72] Se pueden rastrear estudios sobre la correlación entre la mortalidad relacionada con el calor y las hospitalizaciones y la vida en ubicaciones socioeconómicas bajas en Phoenix, Arizona, [73] Hong Kong, [74] China, [74] Japón, [75] e Italia. [76] [77] 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. [77]
El acceso al aire acondicionado para los grupos étnicos y raciales marginados puede depender de muchos factores, pero en general está vinculado al grupo socioeconómico y al vecindario de cada uno. Esta conexión surge del racismo institucionalizado , que ha llevado a la asociación de comunidades marginadas específicas con un estatus económico más bajo, peor salud, que residen en vecindarios más calurosos, realizan trabajos físicamente exigentes y experimentan un acceso limitado a tecnologías de refrigeración como el aire acondicionado. [77] Un estudio sobre Chicago, Illinois, Detroit y Michigan encontró que los hogares negros tenían la mitad de probabilidades de tener unidades centrales de aire acondicionado en comparación con sus homólogos blancos. [78] Especialmente en las ciudades, Redlining crea islas de calor , aumentando las temperaturas en ciertas partes de la ciudad. [77] Esto se debe a los materiales de construcción y pavimentos que absorben el calor y a la falta de vegetación y cobertura de sombra. [79]
Ha habido iniciativas que brindan soluciones de refrigeración energéticamente eficientes a comunidades de bajos ingresos o apoyan prácticas de diseño inclusivas para ayudar a cerrar brechas y reducir desigualdades. Por ejemplo, espacios públicos de refrigeración . [80] [79]
En climas cálidos, el aire acondicionado puede prevenir el golpe de calor , [80] la deshidratación por transpiración excesiva , [80] los trastornos de líquidos y electrolitos , [80] la insuficiencia renal , [80] y otros problemas relacionados con la hipertermia . [81] Las olas de calor son el tipo de fenómeno meteorológico más letal en los Estados Unidos. [82] [83] 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. [72] La ola de calor de agosto de 2003 en Francia provocó aproximadamente 15.000 muertes, donde el 80% de las víctimas tenían más de 75 años. [80] 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. [80]
El aire acondicionado (incluida la filtración, humidificación, refrigeración y desinfección) se puede utilizar para proporcionar una atmósfera limpia, segura e hipoalergénica en los quirófanos de los hospitales y otros entornos donde una atmósfera adecuada es fundamental para la seguridad y el bienestar del paciente. A veces se recomienda para uso doméstico por personas con alergias , especialmente al moho . [84] [85] Sin embargo, las torres de enfriamiento de agua con un mantenimiento deficiente 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 requisitos para el registro, mantenimiento y prueba de torres de enfriamiento para proteger contra Legionella . [86]
Diseñado inicialmente para beneficiar a industrias específicas como la prensa y las grandes fábricas, el invento se extendió rápidamente a las agencias y administraciones públicas con estudios que afirman un aumento de la productividad cercano al 24% en lugares equipados con aire acondicionado. [87]
El aire acondicionado provocó varios cambios en la demografía, en particular en los Estados Unidos a partir de la década de 1970. En los EE. UU., la tasa de natalidad fue más baja en la primavera que durante otras estaciones hasta la década de 1970, pero esta diferencia disminuyó desde entonces. [88] En 2007, el Sun Belt 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. [89] Además, la tasa de mortalidad de verano en los EE. UU., que había sido mayor en las regiones sujetas a una ola de calor durante el verano, también se estabilizó. [90]
La generalización del uso del aire acondicionado actúa como uno de los principales impulsores del crecimiento de la demanda mundial de electricidad. [91] Según el 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 4.400 millones de personas en África, América Latina , Oriente Medio y Asia (excluida China). [80] Una encuesta de 2020 encontró que aproximadamente el 88% de todos los hogares estadounidenses usan aire acondicionado, lo que aumenta al 93% cuando se analizan únicamente las casas construidas entre 2010 y 2020. [92]
El aire acondicionado actual representa el 20% del consumo de energía en los edificios a nivel mundial, y el crecimiento esperado del uso de aire acondicionado debido al cambio climático y la adopción de tecnología impulsará un crecimiento significativo de la demanda de energía. [93] [94]
Se proyecta que para 2050, con los avances observados actualmente, las emisiones de gases de efecto invernadero atribuibles al enfriamiento espacial se duplicarán: de 1.135 millones de toneladas (2016) a 2.070 millones de toneladas. [80] Existe cierta presión para aumentar la eficiencia energética de los aparatos de aire acondicionado. 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. [95] El PNUMA y la AIE también recomendaron legislación para disminuir el uso de hidrofluorocarbonos , mejorar el aislamiento de los edificios y cadenas de suministro de alimentos con temperatura controlada más sostenibles en el futuro. [95]
Los refrigerantes también han causado y siguen causando graves problemas ambientales, incluido el agotamiento de la capa de 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 . [96]
Las alternativas al aire acondicionado continuo incluyen refrigeración pasiva , refrigeración solar pasiva, ventilación natural, funcionamiento de cortinas para reducir la ganancia solar, uso de árboles, cortinas arquitectónicas, ventanas (y uso de revestimientos de ventanas) para reducir la ganancia solar . [ cita necesaria ]
Los edificios diseñados con aire acondicionado pasivo generalmente son menos costosos de construir y mantener que los edificios con sistemas HVAC convencionales con menores demandas energéticas. [97] 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 . [9]
Se pueden utilizar muchas técnicas para aumentar el confort y reducir la temperatura en los edificios. Estos incluyen enfriamiento por evaporación, sombreado selectivo, viento, convección térmica y almacenamiento de calor. [98]
La ventilación pasiva es el proceso de suministrar y extraer aire de un espacio interior sin utilizar sistemas mecánicos . Se refiere al flujo de aire externo a un espacio interior como resultado de diferencias de presión derivadas de fuerzas naturales.
Hay 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 luego 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. [99]
Dado que las ganancias de calor internas que crean diferencias de temperatura entre el interior y el exterior se crean mediante 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".
La refrigeración pasiva 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 para mejorar el confort térmico interior con un consumo de energía bajo o nulo. [100] [101] Este enfoque funciona evitando que el calor ingrese al interior (prevención de ganancia de calor) o eliminando el calor del edificio (enfriamiento natural). [102]
El enfriamiento natural utiliza energía in situ, disponible en el entorno natural, combinada con el diseño arquitectónico de los componentes del edificio (por ejemplo, la envolvente del edificio ), en lugar de sistemas mecánicos para disipar el calor. [103] Por lo tanto, el enfriamiento natural depende no sólo 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). Ejemplos de disipadores de calor in situ son la atmósfera superior (cielo nocturno), el aire exterior (viento) y la tierra/suelo.
La refrigeración pasiva es una herramienta importante en el diseño de edificios para la adaptación al cambio climático , reduciendo la dependencia del aire acondicionado que consume mucha energía en entornos cálidos. [104] [105]
Las superficies de enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) reflejan la radiación solar entrante y devuelven el calor al espacio exterior a través de la ventana infrarroja para enfriar durante el día. El enfriamiento radiativo diurno fue posible gracias a la capacidad de suprimir el calentamiento solar mediante estructuras fotónicas , que surgió a través de un estudio de Raman et al. (2014). [107] Los PDRC pueden presentarse en una variedad de formas, incluidos recubrimientos de pintura y películas, que están diseñadas para tener una alta reflectancia solar y emitancia térmica . [106] [108]
Las aplicaciones de PDRC en techos y envolventes de edificios han demostrado reducciones significativas en el consumo y los costos de energía. [108] En áreas residenciales unifamiliares suburbanas , la aplicación de PDRC en techos puede reducir potencialmente los costos de energía entre un 26% y un 46%. [109] Se prevé que los PDRC muestren un tamaño de mercado de ~$27 mil millones para refrigeración de espacios interiores para 2025 y han experimentado un aumento en investigación y desarrollo desde la década de 2010. [110] [111]
Los abanicos existen desde la prehistoria . Los grandes ventiladores de propulsión humana integrados en edificios incluyen el punkah .
El inventor chino del siglo II, Ding Huan, de la dinastía Han , inventó un ventilador giratorio para aire acondicionado, con siete ruedas de 3 m (10 pies) de diámetro y accionado manualmente por prisioneros. [112] : 99, 151, 233 En 747, el emperador Xuanzong (r. 712–762) de la dinastía Tang (618–907) hizo construir el Cool Hall ( Liang Dian 涼殿) en el palacio imperial, que los Tang Yulin describe como tener ruedas de ventilador impulsadas por agua para aire acondicionado, así como corrientes de agua ascendentes de fuentes. Durante la posterior dinastía Song (960-1279), fuentes escritas mencionaron que el ventilador giratorio del aire acondicionado era aún más utilizado. [112] : 134, 151
En zonas frías por la noche o en invierno se utiliza el almacenamiento de calor. El calor puede almacenarse en tierra o mampostería; el aire pasa a través de la mampostería para calentarla o enfriarla. [10]
En áreas que están bajo cero durante la noche en invierno, la nieve y el hielo se pueden recolectar y almacenar en cámaras de hielo para su uso posterior en refrigeración. [10] Esta técnica tiene más de 3.700 años en el Medio Oriente. [113] Los europeos ricos practicaban la recolección de hielo al aire libre durante el invierno y el transporte y almacenamiento para su uso en verano a principios del siglo XVII, [12] y se hizo popular en Europa y América hacia finales del siglo XVII. [114] Esta práctica fue reemplazada por máquinas de hielo de ciclo de compresión mecánica .
En climas secos y cálidos, el efecto de enfriamiento por evaporación se puede utilizar colocando agua en la entrada de aire, de modo que la corriente atraiga aire sobre el agua y luego hacia la casa. Por eso, 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. [8] El enfriamiento por evaporación también hace que el aire sea más húmedo, lo que puede ser beneficioso en un clima desértico seco. [115]
Los enfriadores evaporativos tienden a sentir como si no estuvieran funcionando durante épocas de alta humedad, cuando no hay mucho aire seco con el que los enfriadores puedan funcionar 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 sea canalizado a través de almohadillas más frías que enfrían el aire antes de que llegue al interior de una casa a través de su sistema de conductos de aire; Se debe permitir que este aire exterior enfriado empuje el aire más cálido dentro de la casa hacia afuera a través de una abertura de escape, como una puerta o ventana abierta. [116]
En nuestro método observaré lo que han dicho nuestros antepasados;
Entonces mostraré por mi propia experiencia si son verdaderas o falsas.
Aire acondicionado Cornelius Drebbel.
{{cite press release}}: CS1 maint: archived copy as title (link)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. acondicionamiento.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link) CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)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.
Sin embargo, en los últimos tres años, las publicaciones sobre enfriamiento radiativo y control solar han sido las más numerosas y, por lo tanto, son tecnologías prometedoras en este campo.
