Airconditioning, gewoonlijk afgekort als A/C of AC, is een cruciale technologie die zorgt voor thermisch comfort door warmte af te voeren en de luchtvochtigheid in een afgesloten ruimte te regelen. Dit proces kan op verschillende manieren worden bereikt, waaronder mechanische airconditioners, passieve koeling en ventilatieve koeltechnieken. Airconditioning is een essentieel onderdeel van verwarmings-, ventilatie- en airconditioningsystemen (HVAC), die samen zorgen voor een comfortabel binnenklimaat. Het wijdverbreide gebruik van airconditioning heeft een aanzienlijke invloed gehad op de moderne architectuur en het ontwerp van gebouwen, waardoor diepe gebouwen konden worden gecreëerd en mensen in staat werden gesteld comfortabeler in warmere streken te wonen. De toenemende vraag naar airconditioning heeft echter geleid tot bezorgdheid over het energieverbruik en de impact op het milieu, wat aanleiding geeft tot de ontwikkeling van duurzame en alternatieve koeltechnologieën (International Energy Agency, 2018; Verenigde Naties, zd).

Soorten airconditioningsystemen

Er zijn verschillende soorten airconditioningsystemen beschikbaar, elk ontworpen om tegemoet te komen aan specifieke behoeften en voorkeuren. Centrale airconditioningsystemen zijn bijvoorbeeld ideaal voor het koelen van grote ruimtes en bestaan ​​uit een buitenunit, binnenunit en leidingwerk om gekoelde lucht door het gebouw te verdelen. Split-systemen daarentegen zijn geschikt voor individuele kamers en bestaan ​​uit een buitencompressor en een binnenluchtbehandelingsunit. Deze systemen kunnen verder worden ingedeeld in mini-split (kanaalloos) en multi-split systemen, die onafhankelijke temperatuurregeling in meerdere kamers mogelijk maken.

Een ander type airconditioningsysteem is de raamunit, een compact, op zichzelf staand systeem dat is ontworpen voor koeling van één kamer. Draagbare airconditioners hebben dezelfde functie, maar kunnen gemakkelijk van de ene kamer naar de andere worden verplaatst. Verdampingskoelers, ook wel moeraskoelers genoemd, gebruiken het natuurlijke verdampingsproces om de lucht te koelen en zijn vooral effectief in droge klimaten. Ten slotte maken geothermische systemen gebruik van de stabiele temperatuur van de aarde om zowel te verwarmen als te koelen, waardoor ze een energiezuinige en milieuvriendelijke optie zijn.

Componenten en werking van airconditioners

Airconditioners werken door gebruik te maken van een koelcyclus met dampcompressie om warmte en vochtigheid uit een afgesloten ruimte te verwijderen, waardoor een comfortabelere omgeving wordt gecreëerd. De primaire componenten van een airconditioningsysteem zijn de compressor, condensor, verdamper en expansieklep. De compressor brengt het koelmiddel, een stof met een hoge warmteabsorptiecapaciteit, onder druk en zet het om in een gas onder hoge druk en hoge temperatuur. Dit gas stroomt vervolgens naar de condensor, waar het warmte afgeeft aan de omgeving, waardoor het koelmiddel condenseert tot een vloeistof onder hoge druk. Het vloeibare koelmiddel gaat vervolgens door het expansieventiel, dat de druk en temperatuur verlaagt, voordat het de verdamper binnengaat. In de verdamper neemt het koudemiddel warmte op uit de binnenlucht, waardoor deze verdampt en de lucht daarbij afkoelt. De gekoelde lucht wordt vervolgens door de ruimte gecirculeerd, terwijl het koudemiddelgas onder lage druk terugkeert naar de compressor om de cyclus te herhalen (ASHRAE, 2017; US Department of Energy, nd).

Passieve koeling en ventilatieve koelingstechnieken

Passieve koeling en ventilatieve koeling technieken zijn duurzame alternatieven voor conventionele airconditioningsystemen, met als doel het energieverbruik en de impact op het milieu te verminderen. Passieve koeling verwijst naar het gebruik van het ontwerp en de materialen van gebouwen om comfortabele binnentemperaturen te handhaven zonder afhankelijk te zijn van mechanische systemen. Dit kan op verschillende manieren worden bereikt, zoals een goede oriëntatie van het gebouw, zonwering, thermische massa en natuurlijke ventilatie. Ventilatieve koeling richt zich daarentegen op het strategisch gebruik van natuurlijke luchtstroom om overtollige warmte uit een gebouw te verwijderen. Dit kan worden bereikt door middel van technieken zoals dwarsventilatie, stapeleffect en windvangers. Zowel passieve als ventilatieve koelbenaderingen worden al eeuwenlang gebruikt in traditionele architectuur en worden nu nieuw leven ingeblazen en aangepast voor moderne gebouwontwerpen om energie-efficiëntie en duurzaamheid te bevorderen (Kleerekoper, van Esch, & Salcedo, 2012; Santamouris, 2014).

Verwarming, ventilatie en airconditioning

Verwarmings-, ventilatie- en airconditioningsystemen (HVAC) vormen een integraal onderdeel van het moderne gebouwontwerp en bieden thermisch comfort en een aanvaardbare binnenluchtkwaliteit voor de bewoners. Deze systemen regelen de temperatuur, vochtigheid en luchtcirculatie in een gebouw en zorgen zo voor een comfortabele en gezonde omgeving. HVAC-systemen bestaan ​​doorgaans uit een verwarmingscomponent, zoals een oven of boiler, een koelcomponent, zoals een airconditioner of warmtepomp, en een ventilatiecomponent, die zowel mechanisch als natuurlijk kan zijn. De verwarmings- en koelcomponenten werken samen om de gewenste binnentemperatuur te handhaven, terwijl de ventilatiecomponent helpt om verontreinigende stoffen, geuren en overtollig vocht uit de binnenlucht te verwijderen. HVAC-systemen kunnen worden ontworpen om energiezuinig en milieuvriendelijk te zijn, met duurzame technologieën zoals zonnepanelen, geothermische warmtepompen en ventilatoren voor energieterugwinning. Een goed ontwerp, installatie en onderhoud van HVAC-systemen zijn cruciaal voor hun optimale prestaties en levensduur, evenals voor het welzijn van de gebruikers van het gebouw (ASHRAE, 2017; US Department of Energy, 2020).

Warmtepompen en luchtwarmtepompen

Warmtepompen en luchtwarmtepompen zijn energiezuinige systemen die zowel verwarming als koeling bieden voor gesloten ruimtes. Warmtepompen werken door warmte van de ene locatie naar de andere over te brengen, gebruikmakend van de principes van dampcompressiekoeling. In de verwarmingsmodus halen ze warmte uit de buitenlucht of de grond en brengen deze naar binnen, terwijl ze in de koelmodus warmte uit de binnenlucht halen en naar buiten afgeven. Lucht-warmtepompen, een specifiek type warmtepomp, vertrouwen uitsluitend op de buitenlucht als warmtebron of put. Deze systemen hebben de afgelopen jaren aan populariteit gewonnen, met name in koelere klimaten, vanwege hun vermogen om efficiënte verwarming en koeling te bieden met minder impact op het milieu in vergelijking met traditionele HVAC-systemen (International Energy Agency, 2018). Naarmate de vraag naar duurzame en alternatieve koeltechnologieën groeit, wordt verwacht dat warmtepompen en luchtwarmtepompen een belangrijke rol zullen spelen in de toekomst van airconditioning en gebouwontwerp (Verenigde Naties, z).

Energieverbruik en milieu-impact

Het energieverbruik van airconditioningsystemen is een belangrijk punt van zorg, aangezien deze verantwoordelijk zijn voor ongeveer 20% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik in gebouwen (International Energy Agency, 2018). Deze hoge vraag naar energie draagt ​​bij tot een verhoogde uitstoot van broeikasgassen en verergert de klimaatverandering. Bovendien is gebleken dat de koelmiddelen die in airconditioningsystemen worden gebruikt, zoals chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's) en chloorfluorkoolwaterstoffen (HCFK's), schade aan de ozonlaag veroorzaken, terwijl fluorkoolwaterstoffen (HFK's) bijdragen aan de opwarming van de aarde (Verenigde Naties, zd). Het vrijkomen van deze koelmiddelen in de atmosfeer, vaak tijdens reparaties, vormt een aanzienlijke bedreiging voor het milieu. Om deze problemen aan te pakken, wordt het gebruik van alternatieve koeltechnologieën, zoals passieve koeling, verdampingskoeling en betere thermische isolatie, aangemoedigd. Bovendien komt het gebruik van hydrofluoroolefine (HFO)-koelmiddelen, die een lager aardopwarmingspotentieel hebben en geen ozonafbrekend vermogen hebben, steeds vaker voor in nieuwe apparatuur

Duurzame en alternatieve koeltechnologieën

Duurzame en alternatieve koeltechnologieën hebben de afgelopen jaren aan bekendheid gewonnen vanwege de groeiende bezorgdheid over het energieverbruik en de milieu-impact van conventionele airconditioningsystemen. Een van die technologieën is passieve koeling, waarbij het ontwerp en de materialen van het gebouw worden gebruikt om comfortabele binnentemperaturen te handhaven zonder dat er mechanische systemen nodig zijn. Dit kan worden bereikt door technieken zoals natuurlijke ventilatie, zonwering en thermische massa. Een ander alternatief is verdampingskoeling, die berust op het natuurlijke proces van waterverdamping om de lucht af te koelen, waardoor aanzienlijk minder energie wordt verbruikt in vergelijking met traditionele airconditioningsystemen.

Selectieve zonwering, een techniek waarbij schaduwen of jaloezieën strategisch worden geplaatst om direct zonlicht te blokkeren, kan ook helpen de binnentemperatuur en het energieverbruik te verlagen. Windvangers, een oud architectonisch kenmerk, kunnen in moderne gebouwen worden geïntegreerd om natuurlijke ventilatie en koeling te bevorderen. Bovendien kan het verbeteren van de thermische isolatie in gebouwen de behoefte aan airconditioning verminderen door de warmteoverdracht tussen de binnen- en buitenomgeving te minimaliseren. Aangezien de vraag naar energie-efficiënte en milieuvriendelijke koeloplossingen blijft groeien, wordt verwacht dat er in de toekomst meer innovatieve en duurzame technologieën zullen ontstaan ​​(IEA, 2018; Verenigde Naties, 2019).

Geschiedenis van airconditioning en passieve technieken

De geschiedenis van airconditioning gaat terug tot oude beschavingen, waar passieve koeltechnieken werden gebruikt om een ​​comfortabele binnenomgeving te behouden. De oude Egyptenaren gebruikten bijvoorbeeld passieve airconditioningmethoden in hun architecturale ontwerpen, die zich later verspreidden over het Iberisch schiereiland, Noord-Afrika, het Midden-Oosten en Noord-India [8][9]. Deze passieve technieken bleven populair tot in de 20e eeuw, toen aangedreven airconditioningsystemen de markt begonnen te domineren. Recente technische studies van traditionele gebouwen hebben echter geleid tot een hernieuwde belangstelling voor passieve koelmethoden, die nu worden aangepast en geïntegreerd in moderne architectonische ontwerpen [10][9].

De ontwikkeling van moderne airconditioningsystemen begon in de 19e eeuw met de uitvinding van mechanische koeling. In 1902 vond Willis Carrier de eerste elektrische airconditioning uit, die de basis legde voor de hedendaagse airconditioningindustrie. Door de jaren heen hebben technologische vooruitgang geleid tot de creatie van efficiëntere en milieuvriendelijkere airconditioningsystemen, inclusief het gebruik van alternatieve koelmiddelen en de integratie van energiebesparende functies. Naarmate de vraag naar duurzame koeloplossingen blijft groeien, wordt verwacht dat de integratie van passieve koeltechnieken en innovatieve technologieën in airconditioningsystemen een belangrijke rol zal spelen bij het vormgeven van de toekomst van de industrie [11].

Ontwikkeling en voorafgaande ontdekkingen

De ontwikkeling van moderne airconditioningsystemen is terug te voeren op een aantal belangrijke ontdekkingen en innovaties. In 1558 beschreef Giambattista della Porta een methode om ijs te koelen tot temperaturen ver onder het vriespunt door het te mengen met kaliumnitraat in zijn boek Natural Magic (Porta, 1558). Later, in 1620, demonstreerde Cornelis Drebbel "Turning Summer into Winter" voor James I van Engeland door een deel van de Great Hall of Westminster Abbey te koelen met behulp van een apparaat van troggen en vaten (Bacon, 1620). In 1758 voerden Benjamin Franklin en John Hadley een experiment uit om het principe van verdamping te onderzoeken als middel om een ​​object snel af te koelen. water (Franklin & Hadley, 1758). Deze vroege ontdekkingen legden de basis voor de ontwikkeling van moderne airconditioningsystemen, die sindsdien zijn geëvolueerd met geavanceerde technologieën en materialen, waardoor efficiëntere en duurzamere koeloplossingen mogelijk zijn voor een breed scala aan toepassingen.

Airconditioning in moderne architectuur en bouwontwerp

Airconditioningsystemen zijn een integraal onderdeel geworden van de moderne architectuur en het ontwerp van gebouwen, omdat ze aanzienlijk bijdragen aan het algehele comfort en de energie-efficiëntie van een gebouw. Architecten en ingenieurs werken samen om airconditioningsystemen in het ontwerpproces op te nemen, rekening houdend met factoren zoals de oriëntatie van het gebouw, isolatie, raamplaatsing en zonwering om natuurlijke ventilatie te optimaliseren en de afhankelijkheid van mechanische koelsystemen te verminderen. Bovendien maakt het gebruik van geavanceerde technologieën, zoals Building Information Modeling (BIM), simulatie en analyse van verschillende airconditioningconfiguraties mogelijk om tot de meest efficiënte en duurzame oplossingen te komen.

In de afgelopen jaren is er een groeiende nadruk komen te liggen op het integreren van technieken voor passieve koeling en ventilatieve koeling in gebouwontwerpen om het energieverbruik en de impact op het milieu te minimaliseren. Deze strategieën omvatten het gebruik van thermische massa, natuurlijke ventilatie en zonwering om de binnentemperatuur te regelen zonder dat mechanische airconditioningsystemen nodig zijn. Bovendien komen de toepassing van energie-efficiënte HVAC-systemen, zoals lucht-warmtepompen, en de implementatie van duurzame en alternatieve koeltechnologieën steeds vaker voor in moderne gebouwontwerpen om tegemoet te komen aan de wereldwijde problemen van energieverbruik en klimaatverandering (IEA, 2018; Verenigde Naties, zd).

Toekomstige trends en innovaties in airconditioning

Toekomstige trends en innovaties op het gebied van airconditioning zijn voornamelijk gericht op het verbeteren van de energie-efficiëntie en het verminderen van de impact op het milieu. Een van die innovaties is de ontwikkeling van airconditioningsystemen op zonne-energie, die zonne-energie gebruiken om het koelproces aan te drijven, waardoor het elektriciteitsverbruik en de uitstoot van broeikasgassen aanzienlijk worden verminderd (Li et al., 2017). Bovendien wint het gebruik van faseovergangsmaterialen (PCM's) bij het ontwerpen van gebouwen aan populariteit, omdat deze materialen thermische energie kunnen opslaan en vrijgeven, waardoor de afhankelijkheid van mechanische airconditioningsystemen afneemt (Kuznik et al., 2011). Bovendien wordt verwacht dat de vooruitgang in sensortechnologie en de integratie van kunstmatige intelligentie (AI) in HVAC-systemen het energieverbruik zal optimaliseren en de luchtkwaliteit binnenshuis zal verbeteren (Shaikh et al., 2016). Ten slotte wordt verwacht dat de toepassing van alternatieve koelmiddelen met een lager aardopwarmingsvermogen (GWP) en geen ozonafbrekend vermogen (ODP) de milieu-impact van airconditioningsystemen zal verminderen (Zhang et al., 2017).