كان مكيف الهواء يعتبر في السابق من الرفاهيات، لكنه أصبح الآن ضروريا، حيث يسمح لنا بتبريد المنازل والشركات والمستشفيات ومراكز البيانات والمختبرات وغيرها من المباني الحيوية لاقتصادنا وحياتنا اليومية، وفي الواقع، درجة حرارة الهواء مهمة جدا بالنسبة لنا، حيث أن 48 بالمائة من إجمالي استهلاك الطاقة في المنازل الأمريكية هو نتيجة للتبريد والتدفئة، والآن تخيل كيف ستكون الحياة بدونه، وفيما يلي سوف نتابع سويا مراحل تطور اختراع مكيف الهواء عبر العصور، هيا بنا.
تعتبر عملية تكييف الهواء هي عملية معالجة للهواء، أي تبريد الهواء والمحافظة على نسبة الرطوبة، بالإضافة إلى التخلص من نسبة الهواء غير الصالحة للاستخدام وإضافة هواء جديد نقي، ويرجع الفضل في اختراع مكيف الهواء إلى المخترع ويليس كاريير في عام 1902، وهو مهندس أمريكي قام باختراع أول جهاز تكييف الهواء الحديث، ومع ذلك فإن فكرة استخدام الماء المتبخر أو غيرها من السوائل لتبريد مساحة كبيرة رطبة وساخنة تسبق اختراع شركة كارير بآلاف السنين، منذ قدماء المصريين مرورا بالمراحل والحقب التي تلتها.
أول من اخترع مكيف الهواء
يعتبر القدماء المصريين هم أول من أنشأ أنظمة معروفة تستخدم المياه لتبريد الأماكن الداخلية، فقد استطاعوا خفض درجة الحرارة في منازلهم عن طريق تعليق الحصائر الرطبة على مداخلها، وأدى الماء المتبخر من الحصائر الرطبة إلى تقليل درجات حرارة الهواء الداخلي وإضافة الرطوبة المنعشة للهواء الصحراوي الجاف.
بعد فترة ليست طويلة من تغلب القدماء المصريين على الحرارة باستخدام حصائر المدخل، طور الرومان نظام مكيف الهواء البدائي من خلال استخدام قنواتها المائية الشهيرة في تعميم المياه العذبة من خلال الأنابيب الداخلية، وهي طريقة أدت إلى انخفاض كبير في درجة حرارة الهواء داخل الفيلات المغلقة.
التجارب الرائعة التي أسهمت في اختراع مكيف الهواء
بعد مرور وقت طويل قضوه الرومان مع حرارة الشمس الحارقة تم تطوير مبادئ مكيف الهواء الحديث، ففي عام 1758 بدأ رجل الدولة الأمريكي والمخترع بنجامين فرانكلين بتجربة التأثيرات المبردة لبعض السوائل، وكان فرانكلين قد قرر أن تأثيرات المبرد للسائل ترتبط بسرعة تبخرها، ثم وسع هذا النتيجة بالتعاون مع جون هادلي الأستاذ في جامعة كامبريدج باستخدام سائل الأثير والمنفاخ لتبريد ميزان حرارة الزئبق إلى 25 درجة تحت درجة التجمد
ودفعت هذه التجربة فرانكلين إلى التعليق في مذكراته حول إمكانية التجمد حتى الموت، حتى في يوم صيفي دافئ، وكانت هذه الملاحظة من قبل فرانكلين إنذارا للأمور في المستقبل، ثم قام المخترع البريطاني مايكل فاراداي في عام 1820، بتجربة خصائص تبريد الغازات عندما اكتشف أنه بضغط وتصفية الأمونيا ثم السماح لها بالتبخر، يمكنه تبريد الهواء داخل مختبره.
اختراع مكيف الهواء الحديث
طور طبيب من فلوريدا يدعى جون غوري آلة لإبقاء مرضى الحمى الصفراء هادئين، وتستخدم آلة غوري الهواء المضغوط والماء لإنشاء نظام تبريد مفتوح، وكان ذلك بعد عدة عقود من اكتشاف فاراداي مكيف الهواء باستخدام الأمونيا، وقد حصل غوري على براءة الاختراع في عام 1851، وقد اعتبرت آلة الهواء البارد الخاصة بـ المخترع جون غوري هي أول اختراع سهل التبريد الميكانيكي، بالإضافة إلى أنه أول اختراع يشبه مكيف الهواء الحديث.
قد توقف بعد ذلك التطور عند اختراع غوري حتى عام 1902 وهي السنة التي كلف فيها المهندس الشاب ويليس كاريير بمهمة إنشاء نظام لمعالجة الهواء في شركة ساكيت فيلهلم للطباعة الحجرية والنشر في بروكلين نيويورك، إذ وجد مسؤولو شركة الطباعة أن الرطوبة المفرطة في المصنع تسبب فسادا في سجل الألوان المستخدم للطباعة الدقيقة متعددة الألوان.
بحلول عام 1903 كان كاريير قد صمم نظاما من الملفات المبردة التي حافظت على نسبة الرطوبة ثابتة ومريحة تصل إلى 55 بالمائة داخل مصنع الطباعة، أي ما يعادل استخدام 108 ألف رطل من الثلج يوميا لتبريد المصنع، باختراع كاريير تغيرت قواعد آلة تبريد الهواء، ثم لم يمض وقت طويل بعدها حتى قام مهندس طاحونة يدعى ستيوارت كرامر بإنشاء جهاز تهوية مماثل لإضافة بخار الماء إلى الهواء الخانق داخل مصانع النسيج، وقد اعتبر كريمر الشخص الثاني لتطوير مثل هذا الجهاز، ولكنه أول من صاغ مصطلح مكيف الهواء لوصف الغرض من اختراعه.
استمر استخدام مكيف الهواء في المصانع والمطاحن طوال فترة أوائل القرن العشرين، ولكن لم يتم تثبيت مكيف الهواء الحديث في منزل خاص حتى عام 1914، حين تعاقد مليونير من مينيا بوليس يدعى تشارلز جيتس مع شركة كاريير لتثبيت مكيف الهواء الحديث في قصره.
استمر كاريير في اختراع وحدة من مكيف الهواء أكثر كفاءة ، وهي آلة التبريد بالطرد المركزي، وظهر اختراعه في عطلة نهاية الأسبوع التذكارية في عام 1925 في الافتتاح الكبير لمسرح ريفولي في ساحة التايمز، حيث استخدم مكيف الهواء الحديث مع العديد من رواد المسرح السينمائيين في مكان مغلق، وكان الأمر ناجحا للغاية، ثم خلال السنوات الخمس التالية قامت شركة كاريير بتركيب وحدات مكيف الهواء الخاصة به في 300 دور سينما عبر أمريكا.
لسنوات تالية أصبح مكيف الهواء آلة أساسية في المنازل في جميع أنحاء أمريكا، وتوافد الناس على مسارح السينما الباردة والمريحة في حرارة الصيف، وقد سمحت إضافة مكيف الهواء بارتفاع إنتاجية الموظفين في أشهر الصيف، وهو الوقت الذي بدأ فيه العمال يفقدون طاقتهم بشكل سيئ بسبب درجات الحرارة الشديدة، ويذكر أنه قد توقف التوسع في صناعة مكيف الهواء في المنازل الأمريكية خلال فترة الكساد الكبير والحرب العالمية الثانية، ولكن بحلول الخمسينيات ،عادت صناعة مكيف الهواء مرة أخرى.
بحلول عام 1965 كان حوالي 10 % فقط من المنازل الأمريكية لديها وحدات مكيف الهواء، ولكن هذا الرقم استمر في الارتفاع ببطء وثبات مع مرور العقود، وبحلول عام 2007، كان 86 % من المنازل لديها أنظمة مكيف الهواء وفقا لشركة كاريير، واليوم تعتبر وحدات مكيف الهواء آلات قياسية في المنازل في الولايات المتحدة، وتختلف أنواع مكيفات الهواء باختلاف المناطق، حيث إن مكيف الهواء المركزي هو الأكثر شيوعا في الجنوب والغرب الأوسط والغرب، في حين أن مكيف الهواء في الغرف هو الأكثر شيوعا في الشمال الشرقي.
قد أدى الاستخدام الواسع النطاق لمكيف الهواء في نهاية المطاف إلى تسهيل الانتقال على المدى الطويل بين سكان الولايات المتحدة، فقبل تركيب وحدات تكييف الهواء المنزلي، وكانت المدن في الصحراء وديب ساوث وفلوريدا تتمتع بتكاثر سكاني قليل جدا لأن معظم الناس لم يتمكنوا من التعامل مع الطقس المرهق، ومع قدوم أجهزة مكيف الهواء المنزلي، أصبح الناس قادرين على الانتشار والانتقال إلى هذه المناطق التي تم تجنبها في السابق، واليوم، بعض من أهم المدن في أمريكا مثل فينيكس، أريزونا، ولاس فيغاس، ونيفادا، وتكساس يتزايد معدل السكان فيهم بفضل مكيف الهواء.
تاريخ تطور مكيف الهواء
- أضرار ارتفاع درجات الحرارة
في أربعينيات القرن التاسع عشر، اقترح الطبيب والمخترع الدكتور جون جوري من فلوريدا فكرة تبريد المدن لتخفيف سكانها من شرور درجات الحرارة المرتفعة، واعتقد جوري أن التبريد هو المفتاح لتجنب أمراض مثل الملاريا وجعل المرضى أكثر راحة، لكن نظامه البدائي لتبريد غرف المستشفى يتطلب شحن الثلج إلى فلوريدا من البحيرات والجداول المتجمدة في شمال الولايات المتحدة.
للتغلب على هذا التحدي اللوجستي المكلف، بدأ جوري بتجربة مفهوم التبريد الاصطناعي، ولقد صمم آلة صنع الجليد باستخدام ضاغط يعمل بواسطة حصان أو ماء أو أشرعة تحركها الرياح أو بخار، وحصل على براءة اختراع لها في عام 1851، على الرغم من أن جوري لم ينجح في جلب تقنيته الحاصلة على براءة اختراع إلى السوق، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى وفاة الداعم المالي الرئيسي له، وضع اختراعه الأساس لأنظمة تكييف الهواء والتبريد الحديثة.
- أول وحدة مكيف هواء حديثة
ظلت فكرة التبريد الاصطناعي راكدة لعدة سنوات حتى تولى المهندس ويليس كاريير وظيفة أدت إلى اختراع أول وحدة مكيف هواء كهربائية حديثة، وأثناء عمله في شركة بوفالو فورج في عام 1902، تم تكليف كاريير بحل مشكلة الرطوبة التي كانت تتسبب في تجعد صفحات المجلات في شركة ساكيت ويلهيلم للطباعة الحجرية والنشر في بروكلين.
من خلال سلسلة من التجارب، صمم كاريير نظاما يتحكم في الرطوبة باستخدام ملفات التبريد وحصل على براءة اختراع لجهاز معالجة الهواء، والذي يمكنه إما ترطيب الهواء (عن طريق تسخين الماء) أو إزالة الرطوبة (عن طريق تبريد الماء)، وباختبار تقنيته وتحسينها، ابتكر أيضا وحصل على براءة اختراع نظام تحكم آلي لتنظيم الرطوبة ودرجة حرارة الهواء في مصانع النسيج، ولم يمض وقت طويل قبل أن يدرك كاريير أن التحكم في الرطوبة ومكيف الهواء يمكن أن يفيد العديد من الصناعات الأخرى، وفي النهاية انفصل عن شركة بوفالو فورج، وشكل شركة كاريير الهندسية مع ستة مهندسين آخرين.
- المباني العامة أصبحت باردة
في معرض سانت لويس العالمي عام 1904، استخدم المنظمون التبريد الميكانيكي لتبريد مبنى ولاية ميسوري، واستخدم النظام 35000 قدم مكعب من الهواء في الدقيقة لتبريد القاعة التي تتسع لـ 1000 مقعد، والقاعة المستديرة والغرف الأخرى داخل مبنى ولاية ميسوري، وكانت هذه هي المرة الأولى التي يتعرف فيها الجمهور الأمريكي على مفهوم التبريد المريح، وحدث تقدم كبير في تكنولوجيا التبريد المريح في عشرينيات القرن العشرين، عندما توافد الأمريكيون على دور السينما لمشاهدة نجوم هوليود على الشاشة الفضية.
كانت أنظمة التبريد المبكرة للمسارح العامة عبارة عن أنظمة تدفئة تم تعديلها باستخدام معدات التبريد التي توزع الهواء البارد من خلال فتحات الأرضية، مما أدى إلى ظروف حارة ورطبة في المستويات العليا ودرجات حرارة أكثر برودة في المستويات الأدنى، حيث يلجأ المستفيدون أحيانا إلى لف أقدامهم بالصحف لتبقى دافئة، وفي عام 1922، قامت شركة كاريير الهندسية بتركيب أول نظام تبريد جيد التصميم للمسارح في مسرح متروبوليتان في لوس أنجلوس، والذي كان يضخ الهواء البارد من خلال فتحات أعلى لتحسين التحكم في الرطوبة والراحة في جميع أنحاء المبنى.
في مايو 1922 في مسرح ريفولي في نيويورك، ظهرت شركة كاريير علنا لأول مرة نوعا جديدا من النظام الذي يستخدم مبرد الطرد المركزي، والذي يحتوي على أجزاء متحركة ومراحل ضاغط أقل من الوحدات الموجودة، وأدى نظام الاختراق إلى زيادة الموثوقية وخفض تكلفة مكيفات الهواء واسعة النطاق، مما أدى إلى توسيع نطاق استخدامها بشكل كبير في جميع أنحاء البلاد.
- جلب التبريد إلى المنزل
على الرغم من التقدم في تقنيات التبريد، كانت هذه الأنظمة كبيرة جدا ومكلفة للغاية بالنسبة للمنازل، وبناء على تكنولوجيا التبريد، قدمت فريجيدير مبردا جديدا للغرفة بنظام تقسيم إلى السوق في عام 1929، وكان صغيرا بما يكفي للاستخدام المنزلي وعلى شكل خزانة راديو، ومع ذلك، كان النظام ثقيلا ومكلفا ويتطلب وحدة تكثيف منفصلة يتم التحكم فيها عن بعد، وقام فرانك فاوست من شركة جنرال إلكتريك بتحسين هذا التصميم، حيث قام بتطوير مبرد غرفة مستقل، وانتهت شركة جنرال إلكتريك بإنتاج 32 نموذجا أوليا مماثلا من عام 1930 إلى عام 1931.
في نفس الوقت تقريبا، قام توماس ميدجلي وألبرت هيني وروبرت ماكناري من جنرال موتورز بتصنيع مبردات الكلوروفلوروكربون (CFC)، والتي أصبحت أول سوائل تبريد غير قابلة للاشتعال في العالم، مما أدى إلى تحسين سلامة مكيف الهواء بشكل كبير، ومع ذلك، سيتم ربط المواد الكيميائية باستنفاد الأوزون بعد عقود، وتم التخلص التدريجي منها في نهاية المطاف من قبل الحكومات في جميع أنحاء العالم بعد بروتوكول مونتريال في التسعينيات، وتكتسب مركبات الهيدروفلوروكربون (HFCs)، التي لا تدمر طبقة الأوزون شعبية كبيرة ولكنها ترتبط في النهاية بتغير المناخ، وأدت الأبحاث المتقدمة التي أجراها مؤخرًا مكتب تقنيات البناء التابع لوزارة الطاقة و مختبر أوك ريدج الوطني إلى إنتاج مبردات وتقنيات جديدة أقل ضررا على الكوكب.
أصبحت أنظمة التبريد المنزلية أصغر حجما، وقدم شيرمان براءة اختراع لوحدة مكيف الهواء التي يمكن وضعها على حافة النافذة، ووصلت الوحدات إلى السوق في عام 1932 ولكن لم يتم شراؤها على نطاق واسع بسبب تكلفتها العالية.
واصل المهندس هنري جالسون تطوير نسخة أكثر إحكاما وغير مكلفة من مكيف هواء النافذة وإنشاء خطوط إنتاج للعديد من الشركات المصنعة، وبحلول عام 1947، تم بيع 43.000 من هذه الأنظمة ولأول مرة، أصبح بإمكان أصحاب المنازل الاستمتاع بمكيف الهواء دون الحاجة إلى إجراء ترقيات باهظة الثمن.
بحلول أواخر الستينيات، كانت معظم المنازل الجديدة مزودة بتكييف مركزي، وأصبحت مكيفات هواء النوافذ ميسورة التكلفة أكثر من أي وقت مضى، مما أدى إلى زيادة النمو السكاني في الولايات ذات الطقس الحار مثل أريزونا وفلوريدا، ومكيف الهواء موجود الآن في ما يقرب من 100 مليون منزل أمريكي، وهو ما يمثل 87 في المائة من جميع الأسر، وفقا لإدارة معلومات الطاقة.
- معايير الكفاءة تدفع التحسينات
مع ارتفاع استخدام مكيف الهواء في السبعينيات، حدثت أزمة الطاقة، وردا على ذلك، أصدر المشرعون قوانين لتقليل استهلاك الطاقة في جميع المجالات، مما مهد الطريق لبرنامج معايير الأجهزة والمعدات التابع لوزارة الطاقة، والذي يضع معيارا فيدراليا واحدا لكفاءة الطاقة لمصنعي مكيف الهواء بدلا من مجموعة من المعايير لكل ولاية على حدة.
منذ عام 1992، أصدرت وزارة الطاقة معايير الحفاظ على الشركات المصنعة لمكيف الهواء المركزي السكني والمضخات الحرارية، ومن المتوقع أن يحقق المعيار الأولي حوالي 29 مليار دولار من فاتورة الطاقة من عام 1993 إلى عام 2023، ومن المتوقع أن يؤدي المعيار الذي تم إقراره في عام 2006 إلى توفير حوالي 70 مليار دولار من فواتير الطاقة من عام 2006 إلى عام 2035 وتجنب أكثر من 369 مليون طن متري من الكربون، انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، تعادل انبعاثات الغازات الدفيئة السنوية لنحو 72 مليون سيارة.
قد أدى البرنامج بالفعل إلى تحسينات هائلة في الكفاءة في تكنولوجيا مكيف الهواء الجديدة التي ساعدت المستهلكين على توفير الطاقة والمال، وفي الواقع، تستخدم مكيفات الهواء الجديدة اليوم طاقة أقل بنسبة 50 بالمائة تقريبا مما فعلوه في عام 1990.
مستقبل مكيف الهواء
بالإضافة إلى معايير الأجهزة، يدعم برنامج التقنيات الناشئة التابع لوزارة الطاقة ضمن مكتب تقنيات البناء البحث والتطوير التطبيقي الذي يجعل مكيف الهواء أكثر كفاءة واستدامة، وفي الوقت الحالي، يعمل البرنامج على الشيء الكبير التالي في مجال تكييف الهواء، تكنولوجيا الضغط بدون بخار، والتي لا تستخدم مركبات الكربون الهيدرو فلورية التي تضر بالبيئة، مما يبشر بعصر جديد من التبريد، وتشير التقديرات إلى أن تقنيات الضغط غير البخاري يمكن أن تقلل من استهلاك الطاقة بنسبة 50 بالمائة.
