Airconditioning

Airconditioning oftewel klimaatregeling oftewel luchtbehandeling oftewel luchtregeling is het reguleren (juiste temperatuur, zuiverheid) van de lucht in binnenruimtes, zoals in een gebouw, auto of trein. Airconditioning duidt ook de apparatuur aan die gebruikt wordt voor het reguleren. Andere benamingen zijn airco, luchtregelaar, klimaatregelaar, klimaatregeling, airconditioningsapparaat en comfortkoeling.

Schematische weergave van een
airconditioner met warmtepomp.

Met het apparaat of installatie kan de temperatuur en luchtvochtigheid op een aangenaam niveau gehouden worden, terwijl het buiten onaangenaam warm (of koud) is. Ook kan de lucht hiermee gezuiverd worden door het toepassen van een filtersysteem. Het algemene consumentenapparaat, zoals in de auto, wordt meestal airco of airconditioning genoemd. Voor de apparaten of installaties voor bedrijven of grote panden worden de termen klimaatregeling (vooral in de landbouw), klimaatregelaar, luchtregelaar of eveneens airconditioning gebruikt.

Geschiedenis

In 1902 bedacht een jonge Amerikaanse ingenieur een systeem om de temperatuur in een drukkerij onder controle te houden. In 1924 werd de eerste cinemazaal, de Rivoli in New York, voorzien van een luchtkoeling. De omzet van de bioscoopzaal steeg spectaculair. 5 jaar later hadden 300 cinemazalen in de Verenigde Staten luchtkoeling. In de 19de eeuw waren er ook al systemen bedacht maar zonder veel succes, omdat er te veel ijs nodig bleek

Functioneren

Een airconditioning kan op twee manieren werken: als warmtepomp, deze werkt op hetzelfde principe als een koelkast, of als (indirecte) verdamper van water.

Werking van airco met warmtepomp

Een warmtepomp is een gesloten kringloop van een vloeistof met een laag kookpunt, bijvoorbeeld freon, die verdampt in de verdamper (binnentoestel) en weer condenseert tot vloeistof in de condensor (buitentoestel). De warmte wordt hierbij netto van de verdamper naar de condensor vervoerd, tegen de bestaande temperatuurgradiënt in. Zo'n machine wordt daarom ook wel een warmtepomp genoemd.

Er gaat altijd een dikke en een dunne buis naar het binnentoestel. In de dikste buis stroomt gasvormig koelmiddel, in het kleine buisje vloeibaar koelmiddel op een temperatuur ongeveer gelijk aan de buitentemperatuur. Dit koelmiddel wordt naar de geventileerde koelbatterij in de binnenunit gepompt: de verdamper. Juist voor de koelbatterij in de binnenunit zit een expansiesysteem (capillair of expansieventiel) dat de vloeistof laat ontspannen naar een lagere druk op verdampingstemperatuur. De vloeistof begint te koken en neemt daarbij warmte op uit de te koelen ruimte. Bij een airco is de temperatuur hier ongeveer 0 °C. Men neemt voor een airco een verschil van ongeveer 20 kelvin, bij koelcellen is dat 7 K a 10 K.

Bij moderne aircotoestellen zit het capillair nagenoeg altijd in het buitentoestel verwerkt. Door het kleine buisje stroomt dan niet verdampte vloeistof op verdampingstemperatuur.

Doordat dit koelmiddel kouder is dan de omgeving wordt er warmte aan het koelmiddel toegevoerd. Het koelmiddel gaat dus opwarmen, of anders gezegd: warmte van de ruimte wordt overgedragen op het koude koelmiddel. Het vloeibaar koudemiddel verdampt volledig en wordt zelfs iets oververhit om te voorkomen dat de compressor last krijgt van vloeistofslag. (compressor kan geen vloeistof verpompen alleen gas.) Dit komt het rendement van het systeem niet ten goede, maar het voorkomt wel overmatige slijtage van de pomp door inslag van druppeltjes op de schoepen (cavitatie.). Het gasvormige koelmiddel wordt hier samengeperst tot een hogere druk en temperatuur en naar de condensor gevoerd. De temperatuur van deze gassen is in sommige gevallen 50 K boven de buitentemperatuur. De temperatuur waarop gecondenseerd wordt noemt men de condensatietemperatuur. Om het warmtetransport naar de buitenomgeving te vergemakkelijken wordt vaak een ventilator aangebracht.

Buiten geeft dit gas zijn onttrokken warmte weer af aan de condensor en condenseert terug tot vloeistof. De compressor is de stuwende kracht in het gehele proces door het gas te verplaatsen. Een bijzondere uitvoering is de zogenaamde inverter compressor. Deze is door zijn toerenregeling een stuk comfortabeler in de regeling van de ruimtetemperatuur en bovendien ruim 30% energiezuiniger dan een aan-uit compressor. De koelcyclus benadert de Carnotcyclus, met uitzondering van het smoorventiel voor de verdamper.

Werking als verdamper van water

Wanneer water wordt verdampt, verhoogt dit de luchtvochtigheid en wordt de verdampingsenergie onttrokken aan de lucht, waarbij de temperatuur daalt. Dit heet adiabatische koeling. Wanneer de vochtige, gekoelde, lucht wordt toegevoerd aan de gebruiksruimte, dan spreekt men van directe adiabatische koeling.

De vochtige gekoelde lucht kan ook worden gebruikt om een tweede, gescheiden, luchtstroom te koelen. Deze techniek heet indirecte adiabatische koeling. De temperatuur van de tweede luchtstroom wordt hierbij verlaagd door middel van de eerste luchtstroom. De tweede luchtstroom wordt toegevoerd aan de gebruikersruimte. De absolute luchtvochtigheid van de tweede luchtstroom is lager dan bij een direct adiabatische koeling, wat een hoger comfort geeft.

Deze airco heeft als groot voordeel dat er alleen energie nodig is voor de ventilator die de lucht naar de verbruiksruimte pompt, wat vaak toch al wordt gedaan (mechanische ventilatie). De toegevoerde lucht is bovendien verse lucht (bij airco met warmtepomp wordt vaak alleen de ruimtelucht gekoeld en ontvochtigd, en rondgepompt maar niet ververst). Verder is er wat water nodig om te verdampen. Het nadeel van deze airco is dat de bereikbare temperatuurverlaging afhankelijk is van de luchtvochtigheid buiten en niet als ontvochtiger gebruikt kan worden.

De techniek wordt besproken in dit rapport van het ECN.

Toepassingen

Een airconditioning die uitgerust is met een vierwegklep kan naast koelen ook verwarmen door het hierboven beschreven proces om te keren. Veel airco's zijn tevens uitgerust met bijkomende functies: koelen (en automatisch ontvochtigen), verwarmen (als het uitgerust is met een vierwegklep), enkel ontvochtigen en enkel ventileren. Zelfs bij matige vorst is verwarming mogelijk.

In vele warmere streken van de aardbol is de airconditioning niet meer weg te denken uit het dagelijks leven. Zonder deze systemen zou er b.v. in de Golfstaten in het Midden-Oosten 's zomers niet veel activiteit mogelijk zijn.

Ook in koelere streken kan verwarming met airconditioning nu al goedkoper en milieuvriendelijker zijn dan stoken met olie of aardgas omdat deze brandstoffen kostbaar zijn en elektriciteit in belangrijke mate duurzaam opgewekt wordt, bijvoorbeeld met waterkracht en windturbines. In Portugal is dit bijvoorbeeld het geval.

Type airco's

Er zijn diverse types airconditioners. De airco die het meest voorkomt is de split-unit airco. Deze heeft een afzonderlijke eenheid aan de buitenzijde van de gevel waar de koelvloeistof afkoelt. Verder is de mobiele airconditioning een steeds meer voorkomende verschijning; deze combineert alle onderdelen in een verplaatsbare eenheid. Hierbij wordt het vocht via een dunnere slang afgevoerd en opgevangen in een condensatiebak en/of voert warme vochtige lucht af via een dikkere luchtslang die door het raam gehangen kan worden dan wel semi-permanent via een vaste opening in een houten buitenwand of -muur. Een nieuw type wat in opkomst is, is de standalone-airconditioning. Dit is een gesloten systeem waarin beide afzonderlijke eenheden van de airconditioning zijn samengevoegd in een binneneenheid. Enkele type airco's zijn: plafond model, raam model, mobiele airco en cassettemodel.

Airco's combineert men ook met ultrasound (dat als-het-ware meevaart op de circulerende lucht) om lekkage van lucht (uit de gesloten ruimte) te detecteren (wordt ook gebruikt om gaslekkages te detecteren en ook om elektrische installaties, al-of-niet inclusief apparatuur, te controleren).

Nadelen

Koelen met airco's heeft ook nadelen. Het verbruikt veel energie, en hoewel die energie nodig is op het moment dat de zon het meeste energie levert, wordt die zonne-energie nauwelijks benut. Verder vereist het aircosysteem dat gebouwen goed gesloten gehouden worden, want anders gaat de verkregen koelte door vermenging met de warme buitenlucht weer verloren. Vergelijkbare verliezen treden trouwens op bij een mobiele airco die de warmte afvoert door een luchtslang naar buiten: onvermijdelijk wordt hierbij (warme) buitenlucht van elders aangezogen.

Ook kan een airconditioner (vooral wanneer het slecht onderhouden is door bijvoorbeeld de luchtfilter nooit of zelden te reinigen) aanleiding geven tot allerlei ziekten en allergieën (het zogenaamde Sick building syndrome).

Ook is het beter om het verschil van binnen- en buitentemperatuur niet te groot te maken, omdat door de 'klap' voor een te snelle afkoeling zorgt, waardoor het rhinovirus zich snel kan vermeerderen. Een verschil van meer dan vier à zes graden kan ons lichaam niet goed opvangen. Daarom is het raadzaam om de binnentemperatuur niet meer dan 4-6 °C lager te houden dan de buitentemperatuur. Binnen zal het toch nog altijd frisser aanvoelen, wanneer men van buiten naar binnen gaat. Ook omdat je dan geen last hebt van de directe verwarming van de zon en het 'drukkende' of 'broeierige' gevoel dat vochtige warme buitenlucht geeft. Ook een té lage luchtvochtigheid, lager dan de ideale 45-60 %, zorgt voor een verminderde weerstand, waardoor bacteriën en virussen een kans krijgen.

Trein

Treinen met airconditioning zijn gemiddeld (gemeten over het hele jaar) energiezuiniger dan treinen zonder airco. Doordat de ramen niet meer open kunnen, is het treinoppervlak gladder en gestroomlijnder. De luchtweerstand is daardoor kleiner en er is minder energie nodig voor de aandrijving. Door ramen te gebruiken die niet geopend kunnen worden, is de trein bovendien ook beter geïsoleerd, zodat er in de winter minder energie nodig is om de trein te verwarmen. De Nederlandse VIRM-treinstellen (nieuwe generatie dubbeldekstreinen) en de gemoderniseerde ICRm-rijtuigen en ICMm-treinstellen van de NS zijn voorzien van airconditioning. Bij de NMBS hebben de I11- en M6-rijtuigen (nieuwe generatie dubbeldeksrijtuigen) airco. Ook zijn de AM96-, de MW41- en sommige I10- en I6-rijtuigen uitgerust met airconditioning.

Bronnen, noten en/of referenties

Noten

  Zie ook de categorie met mediabestanden in verband met Air conditioners op Wikimedia Commons.