Современное общество невозможно представить без систем кондиционирования воздуха — как в промышленности, так и в быту. Возможность регулировать микроклимат в помещениях возникла благодаря инженеру Уиллису Керриеру, сотруднику компании Buffalo Forge. Его изобретение не преследовало цель улучшить комфорт людей: задача заключалась в стабилизации уровня влажности для типографии Sackett & Wilhelms в Нью-Йорке. Колебания содержания водяного пара в воздухе приводили к деформациям бумаги в печатных машинах, вызывая значительные отклонения при печати.
Керриер разработал технологию, при которой воздух пропускался над змеевиком, охлаждаемым сжатым аммиаком, что обеспечивало постоянную влажность на уровне 55%. Эта система оказалась востребованной в различных отраслях, включая мукомольное производство и фабрики по выпуску лезвий, где высокая влажность вызывала коррозию металлических изделий. На первом этапе внедрение технологии преследовало исключительно производственные цели и не учитывало санитарно-гигиенический комфорт сотрудников.
Позднее сам Керриер предложил использовать кондиционеры в помещениях с высокой плотностью людей. В первую очередь речь шла о театрах, где отсутствовали окна и использовались газовые осветительные приборы, что значительно повышало температуру в зале. Эти условия делали невозможным проведение спектаклей летом, что и стало одной из причин возникновения традиции закрытия театрального сезона в тёплое время года.
В дальнейшем кондиционеры были установлены в кинотеатрах, в частности, в городе Хьюстон (штат Техас), что способствовало значительному увеличению числа зрителей. С 1922 по 1930 год более 300 кинотеатров в США были оснащены системами охлаждения от компании Carrier Engineering, основанной Керриером и его коллегами в 1915 году. Эти технологии также нашли применение в крупных универмагах, которые стали прообразами современных торговых центров.
При этом Уиллис Керриер не был первым специалистом, занимавшимся разработкой устройств для охлаждения воздуха. За десятилетия до него предпринимались попытки создания аналогичных решений.
Исторические прототипы кондиционирования
В 1840-х годах врач из Флориды Джон Горри полагал, что жаркий климат способствует распространению заболеваний. Он стремился создать экономичное решение для охлаждения госпитальных палат. Одним из его методов было размещение подвешенного ко льду таза над кроватями пациентов — тяжёлый холодный воздух опускался вниз, улучшая микроклимат.
В дальнейшем Горри разработал компрессор, приводимый в движение при помощи лошади, воды, пара или воздуха. В 1851 году он получил патент на «ледяную машину», которая стала первым механизированным устройством искусственного охлаждения воздуха в помещении.
До появления электрических кондиционеров охлаждение театральных залов осуществлялось при помощи систем на основе льда. В частности, в 1880 году в нью-йоркском театре «Мэдисон-Сквер» ежедневно использовалось до четырёх тонн льда, через который вентилятором прогонялся воздух и направлялся в зал по системе труб. Однако данная технология сопровождалась высокой влажностью и проблемами с качеством льда, особенно по мере загрязнения водоёмов.
Значительный вклад в развитие систем кондиционирования внёс инженер Стюарт Крамер, работавший на текстильных фабриках в Северной Каролине. В 1906 году он впервые ввёл термин «кондиционирование воздуха», подразумевая не только охлаждение, но также увлажнение, вентиляцию и обогрев. В 1907 году он получил патент на соответствующее оборудование. Именно эту терминологию впоследствии использовал Керриер для обозначения собственных разработок.
Примеры более ранних экспериментов с охлаждением воздуха включают опыты Уильяма Каллена, профессора Университета Глазго, который в 1748 году использовал вакуумное испарение жидкости для создания эффекта охлаждения. В 1620 году изобретатель Корнелис Дреббель продемонстрировал королю Якову I охлаждение помещения при помощи льда. Ещё раньше, в 1558 году Джамбаттиста делла Порта описал метод понижения температуры с использованием нитрата калия, смешанного со льдом.
Известны и более древние примеры. В эпоху Римской империи император Гелиогабал доставлял снег с гор для создания охлаждённой атмосферы в дворцовых покоях. Ветер разносил прохладу от снежных масс по помещениям.
Особое внимание сегодня уделяется технологиям пассивного охлаждения, применявшимся ещё в Древнем Египте. В условиях глобального потепления и роста энергопотребления они вновь становятся актуальными, особенно в контексте борьбы с перегревом городов, вызванным широким использованием бытовых и промышленных систем кондиционирования.
Пассивные системы охлаждения
Под пассивной системой охлаждения (ПСО) понимается архитектурный и инженерный подход, направленный на снижение температуры в помещениях без использования активных энергетических систем. Такие решения реализуются либо за счёт предотвращения попадания тепла внутрь здания, либо путём отвода уже поступившего тепла.
Естественное охлаждение, как разновидность ПСО, использует климатические особенности местности, архитектурную планировку и физические свойства строительных материалов. Оно функционирует без применения механических устройств, опираясь исключительно на природные ресурсы и климат региона.
Одним из исторических примеров пассивного охлаждения являются персидские бадгиры . Бадгир представляет собой башенную конструкцию («ловец ветра»), проходящую через всё здание и выступающую над крышей. Внутренние перегородки в башне направляют воздушные потоки: поступающий сверху ветер опускается вниз по каналам, вытесняя нагретый воздух из помещений и обеспечивая устойчивую естественную вентиляцию даже при высоких температурах окружающей среды.
В Древнем Риме и на Ближнем Востоке использовались акведуки , служившие не только для водоснабжения, но и для охлаждения помещений. В некоторых системах вода направлялась по каналам, встроенным в стены зданий, что способствовало снижению температуры воздуха внутри.
В Древнем Египте применялись различные архитектурные решения: малкаф (аналог бадгира), тактабуш (внутренний дворик с растительностью, создающей тень) и другие элементы, направленные на снижение температуры без применения внешних источников энергии.
Современное переосмысление этих принципов реализуется в концепции биоклиматической архитектуры . Биоклиматические дома проектируются с учетом солнечной инсоляции, преобладающих ветров и других климатических факторов. Они обеспечивают термический комфорт с минимальными затратами энергии за счёт рационального использования света, вентиляции и теплоизоляционных материалов, а также применения автоматизированных систем регулирования микроклимата.
Новое — хорошо забытое старое
В жилых районах Нового Каира жители внедряют механические охлаждающие устройства, которые, несмотря на высокую стоимость, позволяют снизить потребление электроэнергии и отказаться от кондиционеров. В этих системах используются принципы теплопроводности строительных материалов и теневые конструкции — методы, аналогичные тем, что применялись в античной архитектуре.
В стремлении к экологически безопасным решениям, исследователи из Туринского университета разрабатывают систему охлаждения без электричества на основе испарения воды с добавлением поваренной соли. Соль способствует испарению воды через мембрану, за счёт чего происходит снижение температуры окружающей среды. Однако на данном этапе эффективность ограничена, и устройство может охлаждать лишь небольшие пространства. Перспективы включают масштабирование технологии и повышение её эффективности.
Данная разработка концептуально схожа с древнеегипетским методом, когда влажные, пропитанные солёной водой покрытия размещались у входов в жилища для охлаждения поступающего воздуха.
Современные исследования включают также высокотехнологичные методы пассивного охлаждения. Учёные из Массачусетского технологического института и Чилийского университета создали устройство, способное понижать температуру предметов, находящихся под прямыми солнечными лучами, на 13 °C. Принцип его работы основан на радиационном охлаждении: оно одновременно блокирует солнечное излучение и активно излучает тепло в инфракрасном диапазоне, тем самым охлаждая объект ниже температуры окружающей среды. Система не требует источников энергии и не содержит движущихся частей.
Послесловие
Как отмечается в исторических исследованиях, до начала XX века сама идея борьбы с жарой посредством искусственных устройств воспринималась неоднозначно с этической точки зрения. Однако с распространением кондиционеров внимание общества сместилось к их воздействию на климат. По данным исследований , активное использование кондиционеров существенно увеличивает нагрузку на энергосистемы и способствует изменению климата.
В условиях глобального потепления развитие пассивных и энергоэффективных технологий охлаждения становится не просто альтернативой, а необходимостью. Совмещение достижений современной науки с историческим опытом позволяет формировать устойчивые решения, способные обеспечить термический комфорт при снижении воздействия на окружающую среду.