Нью Эйр

Jun 21, 2023

Стандартные кондиционеры охлаждают здания, но способствуют глобальному потеплению. Новые технологии призваны изменить это

Прошлый июль стал самым жарким месяцем в истории человечества. Волны жары побили температурные рекорды по всему миру и даже принесли летние температуры в Чили и Аргентину во время зимы в Южном полушарии. Это больше, чем просто дискомфорт от пота. Сильная жара — самое смертоносное из всех погодных явлений; только в США ежегодно от него погибает больше людей, чем от наводнений, торнадо и ураганов вместе взятых. По мере усугубления изменения климата доступ к искусственно охлаждаемым помещениям быстро становится необходимостью для здоровья и вопросом основных прав человека.

Тем не менее, стандартные системы кондиционирования воздуха поймали нас в ловушку отрицательной обратной связи: чем жарче, тем больше людей включают кондиционер — и в результате тем больше энергии используется (и выбрасывается в атмосферу парниковых газов). «Мы находимся в порочном круге», — говорит Николь Миранда, инженер, исследующий устойчивое охлаждение в Оксфордском университете. И «это не только порочный круг, но и ускоряющийся». По данным Международного энергетического агентства (МЭА) за 2018 год, охлаждение является наиболее быстрорастущим источником энергопотребления в зданиях. Следуя обычному сценарию, МЭА прогнозирует, что к 2050 году годовой спрос на энергию для охлаждения в мире увеличится более чем втрое. Это увеличение более чем на 4000 тераватт-часов, что примерно соответствует тому количеству энергии, которое потребляет вся США в год. .

Становится все более очевидным, что люди не могут обогнать изменение климата с помощью той же технологии кондиционирования воздуха, которую мы используем уже почти столетие. Чтобы разорвать этот порочный круг, необходимы новые инновации, которые помогут обеспечить более прохладный воздух большему количеству людей с меньшим воздействием на окружающую среду.

Одной из хорошо известных проблем современных систем кондиционирования является их зависимость от химических хладагентов, многие из которых являются сильнодействующими парниковыми газами. Некоторые проекты направлены на замену этих веществ менее вредными хладагентами, но даже если они это сделают, хладагенты составляют лишь часть климатических потерь от кондиционирования воздуха. Около 80 процентов выбросов стандартного блока переменного тока, вызывающих потепление климата, в настоящее время приходится на энергию, используемую для его питания, говорит Нихар Шах, директор Программы глобального охлаждения в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. «Множество недавних работ было направлено на повышение энергоэффективности компрессоров и теплообменников, которые являются частью стандартных конструкций кондиционеров», — объясняет Шах. Однако более амбициозные проекты направлены на сокращение объема работы, которую в первую очередь должны выполнять эти компоненты.

Стандартные системы кондиционирования одновременно охлаждают и осушают воздух с помощью относительно неэффективного механизма: чтобы конденсировать воду из воздуха, говорит Шах, они переохлаждают воздух до уровня, превышающего точку комфорта. Поэтому во многих новых конструкциях процессы осушения и охлаждения разделены, что позволяет избежать необходимости переохлаждения.

Например, некоторые новые конструкции кондиционеров вытягивают влагу из воздуха с помощью осушающих материалов (аналогично силикагелю в пакетиках, которые вы можете найти в пакете с вяленым мясом или бутылке с таблетками). Затем осушенный воздух можно охладить до более приемлемой температуры. Этот процесс может потребовать некоторой дополнительной энергии, поскольку осушитель необходимо «перезарядить» с помощью тепла. Но некоторые компании, в том числе стартап Transaera из Сомервилля, штат Массачусетс, перерабатывают тепло, выделяемое в процессе охлаждения, для перезарядки осушителя. «Трансаэра» утверждает, что разрабатываемая ею система может потреблять на 35 процентов меньше энергии, чем средний стандартный блок переменного тока.

Еще больший прирост эффективности возможен, если осушение сочетается с испарительным охлаждением, что полностью исключает из уравнения энергоемкий процесс, называемый сжатием пара. Сжатие пара — система, с помощью которой работает стандартный кондиционер, — перемещает хладагент через цикл, в котором он попеременно конденсируется и расширяется, позволяя ему поглощать тепло изнутри и выделять это тепло наружу. И наоборот, испарительное охлаждение является более простым процессом. Это тот же самый механизм, благодаря которому потоотделение охлаждает нашу кожу: когда вода переходит из жидкости в газообразное состояние, она поглощает тепло. Болотные охладители, устройства, сделанные своими руками, в которых вентилятор обдувает лед воздухом, работают таким же образом. А в сухом климате люди использовали испарительное охлаждение на протяжении тысячелетий. В древнем Иране, например, люди строили яхчалы — большие конусообразные глиняные конструкции с солнечными трубами — которые использовали циркуляцию воздуха и испарение прилегающей воды для снижения температуры настолько, что могли производить лед зимой и хранить его летом.