Сегодня отмечается праздник — день кондиционера. Исторически так сложилось что изначально это устройство не предназначалось для охлаждения людей, а дата это больше связана с созданием необходимого микроклимата в помещении для качественной печати газет и журналов.
Да… Именно ради этого 17 июля 1902 года инженер Уиллис Карриер изобрел первый кондиционер!
Но задолго до изобретения Карриера существовали и дожили до наших дней более древние альтернативы охлаждения воздуха, о которых стоит упомянуть.
Просто потому, что в наше время эти методы охлаждения имеют все шансы быть раскрытыми и с другой стороны вопроса — экономии ресурсов и экологии, при сравнимо меньших затратах на охлаждение.
Спрос на энергию во всем мире растет быстрыми темпами. По оценкам, с 2018 по 2050 год он вырастет до 50%. На строительный сектор приходится значительная часть общего потребления энергии (40%) и почти 30% соответствующих выбросов парниковых газов (ПГ). Как правило, традиционные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) потребляют почти две трети общего энергопотребления здания. Следовательно, многие исследователи стремятся внедрить стратегии естественной вентиляции и пассивного охлаждения для снижения энергопотребления при одновременном обеспечении теплового комфорта, и улучшения качества воздуха в помещении (IAQ). Люди проводят 80–90% своего времени в закрытых помещениях во время работы и проживания; и поэтому неспособность обеспечить хороший уровень качества воздуха в помещении может повлиять на их здоровье, благополучие и производительность.
Сейчас в эпоху кондиционеров трудно представить себе, что раньше могли успешно решать эти проблемы массово… но еще в Древнем Риме, Египте и замках эпохи средневековья примеры таких решений были широко известны.
В Риме использовали сеть подземных каналов, совмещенных с системой водопроводов и воздуховодов. Для работы системы как на отопление, так и на охлаждение под мраморными полами зданий проходили все эти каналы. А чтобы система работала использовался принцип гипокауста(нагретый воздух в стенах и полах поднимаясь вверх создавал тягу для различных потоков воздуха, что обеспечивало «естественную» циркуляцию для отопления и охлаждения помещений).
В Египте уже поступали проще и использовали еще более естественный способ — устанавливали на окнах со стороны постоянной розы ветров различные ткани и маты, смачиваемые периодически водой для испарения. Можно сказать, что это были внешне те же самые шторы, которые мы устанавливаем у себя в домах сейчас, но только с более практичным смыслом использования.
А в средневековых замках за счет обеспеченности её жителей просто использовали эффект тяги за счет высоких потолков, дымоходов и вентиляционных отверстий в стенах и крыше.
А особенные специализированные конструкции для охлаждения помещений сделали в Иране.
Бадгир. Кондиционер на энергии ветра
Когда был создан первый бадгир — точно не установлено, однако они являются неотъемлемой частью персидской и иранской традиционной архитектуры уже на протяжении столетий.
Бадгир (ветряная башня), буквально «ловец ветра», традиционная конструкция, используемая для пассивного кондиционирования зданий. Иран имеет богатую и разнообразную архитектурную историю, насчитывающую более 3000 лет, а остатки иранских архитектурных памятников можно найти от Сирии до Индии и Китая. Также они сохранились и используются в некоторых странах Востока — в Бахрейне, ОАЭ, Пакистане, Афганистане и Саудовской Аравии.
Каждая башня бадгира имеет по меньшей мере два вертикальных воздушных канала — в отличие от арабских малькаф, имеющих, как правило, всего один канал.
Бадгир представляет собой массивную башню, поднимающуюся от самых нижних помещений здания высоко над его крышей. Эта башня разделена, как правило, на четыре вертикальных воздушных канала, в верхней части бадгира выходящих на все четыре стороны света (встречаются также шести- и восьмиугольные башни). Эти каналы соответственно погоде и направлениям ветров могут по необходимости открываться и закрываться, регулируя, таким образом, воздушные потоки внутри здания.
Действие бадгира может комбинироваться с другими соответствующими приборами и нагревательными элементами.
Высота башни позволяет использовать основанный на движении тёплых воздушных потоков так называемый «каминный эффект», за счет поступления внутрь свежего воздуха и ветра.
Если в здании жарко и царит повышенная температура, то в действие вступает «каминный эффект» (особенно частый в ночное время). Прохладный ночной воздух струится через бадгир в здание и охлаждает собирающие тепло разогретые стены. Они нагревают пришедший воздух, который поднимается обратно в бадгир и выходит наружу. Дополнительно стены башни и здания, особенно его крыши, также испускают ночью накопленное за день тепло. Помимо обеспечения здания свежим воздухом, бадгир служит целям качественной вентиляции всех помещений внутри дома, а также обеспечению достаточной влажности воздуха. От длины каналов бадгира зависят их теплоёмкость и тот объём воды, который бадгир способен аккумулировать для охлаждения и подпитки воздуха с целью повышения его влажности.
Бадгир в среднем понижает температуру на 12 °C по сравнению с уличной температурой.
Бадгиры также сооружаются над холодильными помещениями и подземными водохранилищами.
Благодаря технологиям испарения и охлаждения, комбинациям давления внутри каналов башни, они способны даже в летние месяцы поддерживать низкие температуры, близкие к точке замерзания воды.
В зависимости от разных городов бадгиры имеют особый дизайн и форму.
Бадгиры могут быть шестиугольными, восьмиугольными и открываться только с одной стороны. Эти различия предназначены для адаптации к местному климату. Например, в Мейбоде, городе примерно в 50 километрах от Йезда, ветроуловители открыты только с одной стороны и имеют меньшие размеры. Йезд защищен горами; но это не случай Мейбода, который страдает от резких пыльных ветров, дующих из пустыни. Таким образом, одиночные отверстия бадгиров направлены на противоположную сторону воздушного потока, чтобы предотвратить попадание пыли в дома.
Дома строятся с одной или двумя ветряными башнями, часто возвышающимися на 15 м над цокольным этажом. Высота в разных местах разная. Башни позволяют прохладному воздуху, проходящему по небу, улавливаться и направляться вниз через закрытые помещения на уровне земли и ниже. Скорость ветра на этой высоте обычно в 1,5 раза выше скорости ветра на высоте 1 м над уровнем земли.
На юге Ирана ветроуловители довольно большие и менее высокие, так как интенсивность ветрового порыва в этих районах довольно низкая, к тому же в этом районе нет черного ветра. Так что не надо делать ветроуловители высокими. В некоторых портах, таких как порт Ленге, порт Ганх и т. д., обычно расположенных в провинции Хормозгун таких ветроуловителей в этих местах так много, что на каждую комнату приходится как минимум один ветроуловитель. Подобные этим ветроуловителям, есть и на юге Персидского залива, и в Эмиратах, и в Бахрейне.
Ветроуловители в жарких и сухих районах имеют большую высоту, чем в жарких и влажных районах. Потому что в этих местах чем больше высота, тем больше в здание поступает свежий воздух, а также там мало пыли. Объем этих ветроуловителей меньше, чем южных. Потому что плотность ветров в этих районах выше, чем на южных побережьях. В таких городах, как Йезд, Наин, Керман, Кашан, можно увидеть такие ветроуловители.
В домах ветроуловитель обычно делается в летней части дома. Улавливатели ветра часто связаны с залами, бассейнами и подвалами. Они обеспечивают циркуляцию воздуха в здании.
Они также относятся к увлажняющим элементам, таким как: 1) бассейн, 2) сад, 3) деревья, 4) стены подвала, 5) паят и компенсируют недостаток грунтовой влаги и, следовательно, обеспечивают свежее и подходящее место для проживания в жаркое и невыносимое для жителей и людей лето. Материалы ветроуловителей всегда изготавливаются из сырцового кирпича, кирпича, глины и дерева шорунэ. Это один из видов дерева, который противостоит природным факторам и нападениям термитов. Разница температур внутри и снаружи здания и различных его частей, которая вызывает разницу давлений и, в конечном счете, приводит в движение воздух.
Поскольку в Йезде очень низкая влажность (средняя влажность: 30,33%), ветроуловители не только заставляют воздух циркулировать, но и обеспечивают комфорт для жителей, испаряя воздух следующим образом: Сухой и теплый ветер проходит над небольшым каменным прудом с фонтаном, где охлаждается и увлажняется за счет испарения. Затем в комнаты поступает прохладный и влажный воздух. Иногда над отверстием ветроуловителя клали циновку, пантил или колючки, и окропляли их водой, в результате чего увеличивалась влажность и приток прохладного воздуха.
Город Йезд признан в мире как важный пример экологически чистых проектных предложений, основанных на подходах с нулевым выбросом углерода и пассивных системах, для общей устойчивости современной застроенной среды.
Современный вариант бадгира часто можно встретить в различных проектах по всему миру.
Болотный охладитель в Автомобиле
То, что на первый взгляд может напоминать гигантскую Bluetooth-колонку в ретро-стиле, есть не что иное, как ранняя форма кондиционирования воздуха: так называемый Swamp Cooler или Car Cooler (в вольном переводе автомобильный болотный кулер). Эти охлаждающие устройства были изобретены в то время, когда автомобилей в современном понимании еще не было.
В 1930—1960-х годах, когда обычные кондиционеры так широко знакомые нам сейчас были дороги и ненадежны, эти устройства были особенно популярны, так как были основаны на простом принципе, который был известен еще в древности, и использовался для охлаждения помещений. А именно испарительное охлаждение, которое лежит в основе регуляции температуры тела человека за счет потоотделения.
Принцип работы этого автомобильного холодильника прост и проверен тысячелетиями: там, где испаряется вода, извлекается тепло. В старинных виллах, например, использовались фонтаны, чтобы понизить температуру в помещении и сделать ее более приятной. А если вы хотите, чтобы напитки на пикнике были достаточно прохладными без холодильника, вам просто нужно обернуть бутылки влажной тканью.
В этом раннем типе автомобильного кондиционера для охлаждения воздуха так же использовалась скрытая теплота (иными словами, охлаждение за счет испарения воды). Вода внутри устройства испарялась, и при этом поглощала тепло из набегающего воздуха. Затем прохладный влажный воздух направлялся внутрь автомобиля. Эффект «охлаждения» испарением уменьшался с ростом влажности забортного воздуха, и потому этот «кондиционер» сильно зависел от влажности поступающего воздуха. Поэтому, чем ниже влажность, например, в сухих пустынных районах, тем лучше работала система.
Конструкция Swamp Cooler относительно проста: он состоит из трубы диаметром около десяти-пятнадцати сантиметров и длиной чуть меньше, чем верхняя часть дверцы автомобиля. Передняя сторона трубки открыта; он служит воздухозаборником. Для защиты от загрязнения посторонними предметами воздухозаборник обычно снабжен проволочной сеткой. Внутри трубки закреплен вращающийся барабан. Содержит наполнитель, который впитывает и удерживает влагу, не вызывая гниения и неприятного запаха. Барабан можно вращать с помощью привязанной к нему веревки. На стороне трубы, обращенной к транспортному средству, находится воздуховыпускное отверстие.
Swamp Cooler крепится на пассажирской двери между оконным стеклом и дверной рамой, чтобы воздух мог проходить через выпускное отверстие в салон автомобиля.
Работал кондиционер следующим образом. Когда входящий ветер спереди при обдуве поверхности барабана попадал внутрь это запускало процесс испарения. При этом воздух охлаждался, а затем поступал с пониженной температурой через боковое выпускное отверстие в транспортное средство. Если влага наполнителя в значительной степени была израсходована, барабан можно было повторно смочить вращением с помощью поводка.
Ручной привод в данном случае был недостатком… но далеко не единственным.
Еще при его применении ухудшалась обзорность с пассажирской стороны, ну и конечно страдала и аэродинамика автомобиля на высоких скоростях. Попутно при этом было довольно шумно, с поправкой на тот факт, что в целом машины того времени были далеко не такие тихие как сейчас.
И конечно само название говорило о еще одном попутном недостатке, который проявлялся при долгой небрежной эксплуатации — воздух из Swamp Cooler сильно отдавал запахом болота. Редко, когда удавалось обходиться в процессе работы без этого запаха.
А все потому, что типовой вариант Swamp Cooler имел водяной резервуар объёмом около 4 литров, чего хватало на 150—250 км пробега, но так как при таком расстоянии до дозаправки часто люди забывали полностью осушить и поменять впитывающую прокладку… запах болота был неизбежен.
Автомобильные холодильники Swamp Cooler были особенно популярны среди туристов в летний период времени, которые пересекали юго-западные штаты США: Калифорния, Аризона, Техас, Нью-Мексико и Невада.
В США есть энтузиасты, которые до сих пор изготавливают и продают swamp cooler-ы.
Конечно, при остановках такой охладитель работать не сможет… если в него не дуть сжатым воздухом, или не установить электровентилятор работающий от прикуривателя для сохранения обдува.
Но на заре популярности такого «кондиционера» часто поступали проще — просто на АЗС предоставляли услугу охлаждения салона от трубы стационарного кондиционера, из которого дул холодный воздух.
Воду для «зарядки» охладителя тоже брали на заправке, а при дальней поездке могли добавить в воду немного льда.
В наше время, если пытаться как то адаптировать эту технологию для гибридного использования можно для получения воды для охладителя при должном технологическом подходе использовать… воду от автокондиционера.
Нужно только следить за очисткой конденсата от примесей и бактерий. Во всем остальном это идеальный вариант чистой воды для заливки в болотный охладитель. Если, конечно, еще предварительно ее не заморозить (что так же можно считать одним из способов очистки).
А если всех этих мер не хватит для охлаждения можно прибегнуть к последнему варианту… одежде с встроенным охлаждением.
Одежда с кондиционером
В древние времена царственных особ в жару охлаждали, обдувая взмахами опахала.
В наше время все гораздо проще! В Японии уже давно фирма Kuchofuku Co. Ltd, чье название буквально означает «одежда с кондиционером» выпускает одежду с встроенными вентиляторами.
Эта одежда с воздушным охлаждением не охлаждает воздух, как это делает комнатный кондиционер. Вместо этого она увеличивает естественное охлаждение тела владельца, обдувая тело воздухом, а иногда и водяным паром, снижая температуру кожи за счет испарения пота и подводимого пара (распыленной воды из емкости).
Через такую одежду проходит в среднем до 20 литров воздуха в секунду. В процессе обдува воздух циркулирует по всей куртке и выходит через воротник и манжеты, высушивая пот и охлаждая владельца.
Причем сам создатель Хироши Ичигава, бывший инженер Sony, потративший 6 лет на разработку этой одежды придумал её… находясь на работе летом на жарких строительных площадках, где он, по совпадению, устанавливал кондиционеры в зданиях.
Начав выпускать эту одежду в 2004 году успех к нему пришел не сразу. В основном он продавал свои куртки различным заводам и строительным компаниям, которые покупали их для своих рабочих.
Но после землетрясения и аварии на Фукусиме к нему пришла настоящая популярность. Его буквально завалили заказами, когда начались перебои с элетроснабжением. Внедрение его курток частично позволило стабилизировать энергоснабжение, и выполнить лимит сокращения потребления в 15 % в северном регионе Тохоку что позволило избежать отключений электроэнергии (что не удивительно, так как например, рубашка с воздушным охлаждением потребляет всего 4400 мАч энергии в течение 8,5 часов при максимальной скорости вращения вентилятора, а в то же время средний центральный кондиционер потребляет от 3000 до 5000 Вт мощности).
P.S. Некоторые решения подобного плана уже реализованы в здании Apple Park
Система вентиляции тут так устроена что воздух может свободно циркулировать внутри и снаружи здания, обеспечивая естественную вентиляцию, что исключает необходимость в ОВК-системе(Отопление, вентиляция и кондиционирование) в течение девяти месяцев в году.
А если вспомнить знаменитую кепку google с пропеллером и её похожие аналоги.
Остается только Tesla адаптировать для своих электромобилей современную версию Swamp Cooler…
