Новое применение старой технологии экономно охлаждает воздух, не добавляя влажности

Более теплые температуры влекут за собой повышенную потребность в кондиционировании воздуха, которое требует огромного количества энергии.

Общепризнанно, что средняя температура на Земле повышается - девять из десяти самых теплых лет, когда-либо зафиксированы Национальным управлением по исследованию океанов и атмосферы (НОАА) за 140-летнюю историю наблюдений, начиная с 2005 года. Каждый год Соединенные Штаты потребляют больше электроэнергии для охлаждения зданий, чем весь африканский континент потребляет для удовлетворения всех своих потребностей в электроэнергии. В дополнение к более теплым температурам, растущий средний класс во всем мире в настоящее время имеет располагаемый доход, который можно потратить на кондиционирование воздуха. Эксперты прогнозируют, что в результате глобальный спрос (и, следовательно, потребление энергии) к 2050 году возрастет более чем в три раза.

Испарительное охлаждение cold-SNAP

Наше желание побороть жару не является чем-то новым; люди находили творческие способы сохранить прохладу в течение тысячелетий. Одним из простейших способов охлаждения горячего воздуха является его соприкосновение с водой, которая по мере испарения поглощает тепло из воздуха - процесс, называемый испарительным охлаждением (ЕС). Но поскольку ЕС добавляет влажность в воздух, он хорошо работает только в сухом, жарком климате, как, например, на Ближнем Востоке и юго-западе США.

Во влажных районах, таких как тропики, где живет почти половина всех людей на планете, до изобретения первых электрических кондиционеров воздуха в начале 20-го века не было эффективных систем охлаждения. Эти модели используют процесс, называемый механическим сжатием пара, для преобразования химического хладагента между его жидкой и паровой формами, позволяя ему как поглощать тепло из поступающего воздуха, так и удалять из него влагу посредством конденсации, обеспечивая облегчение жаркой, влажной погоды.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

В подавляющем большинстве современных кондиционеров воздуха до сих пор используется механическое сжатие пара, которое не претерпело существенных изменений с 1920-х годов, несмотря на растущую обеспокоенность его влиянием на окружающую среду и здоровье человека. Большое количество энергии, необходимое для циркуляции хладагента из жидкости в пар и обратно, в основном создается при сжигании ископаемого топлива, которое выбрасывает в атмосферу парниковые газы и загрязняет окружающую среду.

С увеличением использования кондиционеров воздуха возрастает и нагрузка на электрические сети, что может привести к критическим отключениям электричества в самые жаркие дни года и подвергать людей опасным высоким температурам. Еще более тревожно то, что сами хладагенты имеют парниковый эффект почти в 10 000 раз сильнее, чем углекислый газ, и их более активное использование, скорее всего, усугубит текущую тенденцию к потеплению, что вызовет еще больший спрос на кондиционеры воздуха и создаст порочный цикл обратной связи высоких температур, вызывающих еще более высокие температуры.

Иногда для того, чтобы продвинуться вперед в решении проблемы, нужно оглянуться назад. Примерно в то же время, когда в начале 20-го века было изобретено механическое сжатие паров, вариант на ЕС, называемый косвенным испарительным охлаждением (IEC), также дебютировал в США. IEC охлаждает здания также посредством испарения воды, но системы IEC содержат блок теплообмена, который изолирует испаряющуюся воду от воздуха, направленного внутрь здания, тем самым удаляя из него тепло, не добавляя к нему влажности.

Системы IEC требуют очень мало энергии для работы, но их сложно изготовить из-за сложности теплообменного блока, что делает их дорогостоящими, а их эксплуатационные характеристики трудно оптимизировать. В результате, они остаются далекой второй скрипкой по сравнению с механическими устройствами сжатия пара, которые доминируют на рынке.

Джек Альваренга (Jack Alvarenga) и Джонатан Гринхам (Jonathan Grinham) работают над тем, чтобы изменить это, внедрив технологию 21-го века в системы IEC, что позволит им эффективно охлаждать воздух при низких затратах как во влажном, так и в сухом климате. Их технология, получившая название cold-SNAP (сокращение от холодного Супергидрофобного Нано-Архитектурного Процесса), использует на 75% меньше энергии, чем механические компрессионные кондиционеры воздуха, и полагается на воду, а не на хладагенты, разрушающие окружающую среду.

"Воздействие, которое cold-SNAP может оказать в глобальном масштабе, двояко: во-первых, его прогнозируемая низкая стоимость позволит людям в бедных районах позволить себе эффективное охлаждение; и, во-вторых, его низкая потребность в энергии поможет снизить общее потребление электроэнергии по мере того, как люди будут менять или модернизировать свои стареющие системы кондиционирования, что поможет смягчить дальнейшее повышение температуры," сказал Гринэм, бывший аспирант Института Вайсса, который в настоящее время является преподавателем и научным сотрудником Гарвардской Высшей Школы Дизайна.

cold-SNAP достигает своих высоких показателей благодаря интеграции старого и нового: керамика, один из самых ранних, дешевых и широко распространенных строительных материалов; и новое покрытие поверхности, недавно разработанное в лаборатории профессора Иоанны Айзенберг. Наноразмерная шероховатость покрытия делает его супер водоотталкивающим, и, при нанесении на плиту из высоко впитывающей воду керамики, получается очень эффективный теплообменный аппарат, который может эффективно изолировать испаряющуюся воду от охлажденного воздуха.

Так как керамика очень удобный материал, весь теплообменный блок может быть изготовлен с помощью экструзии или 3-D печати одной детали, а его форму можно отрегулировать таким образом, чтобы максимально увеличить площадь поверхности, доступную для передачи тепла и испарения. Гидрофобное покрытие затем выборочно наносится на компоненты, которые будут управлять потоком сухого воздуха, соединенного с водяным насосом, вентилятором и органами управления, и вуаля: cold-SNAP.

При дополнительной поддержке Фонда Гарвардского университета по борьбе с изменением климата, Гарвардского центра экологически чистых зданий и городов, а также промышленных партнеров, ученые продвигаются вперед в своем стремлении привнести в мир "зеленое" охлаждение. Предварительные исследования показали, что  система cold-SNAP может быть до четырех раз более эффективной, чем обычные кондиционеры воздуха, что измеряется коэффициентом эффективности (Coefficient of Performance - COP), который является соотношением того, сколько полезного охлаждения обеспечивает система, и того количества энергии, которое требуется для производства этого охлаждения.

Чем лучше КПД системы, тем меньше энергии она потребляет и тем ниже ее эксплуатационные расходы. Этот аспект очень важен не только для того, чтобы cold-SNAP мог конкурировать с современными обычными кондиционерами, но и потому, что беднейшие люди в мире живут вдоль экватора, где кондиционирование воздуха наиболее необходимо, но электричество непомерно дорогое.

"Кондиционеры - это действительно устаревший бизнес, который не сильно изменился за последние 50 лет, потому что долгое время никто не учитывал скрытые затраты на его воздействие на окружающую среду. Сейчас мы наблюдаем сдвиг, и информированные потребители выбирают более экологичные альтернативы во многих сферах своей жизни. Мы хотим иметь возможность предложить cold-SNAP как радикально иной подход к охлаждению, который не только дешевле, но и лучше для планеты", - сказал Альваренга, научный сотрудник Института Вайсса.

Основываясь на своих обещаниях по проведению контролируемых испытаний, в 2019 году cold-SNAP был назван "Валидационным проектом института Вайсса" - программой, целью которой является снижение рисков и демонстрация возможности их успешного масштабирования для коммерциализации. В настоящее время команда изучает различные технологии производства и готовится к пилотному исследованию этим летом, чтобы посмотреть, как система работает в реальных условиях жары и влажности. опубликовано econet.ru по материалам techxplore.com

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet