Серпень 2023 року в останні дні вирішив «розплавити» українців спекою, ледь не щодня долаючи температурні рекорди, і багато хто рятується за допомогою кондиціонерів. Це більше, ніж просто питання дискомфорту від поту. Сильна спека є найсмертоноснішою з усіх погодних явищ. Стандартні кондиціонери охолоджують будівлі, але сприяють глобальному потеплінню, внаслідок якого у наступні роки буде ще спекотніше. Нові технології кондиціонування мають на меті це змінити.
Стандартні системи кондиціонування повітря втягнули людство у петлю негативного зворотного зв’язку. Чим спекотніше, тим більше людей запускають кондиціонер, і тим більше енергії використовується, а електростанції при її виробництві викидають більше парникових газів.
«Ми перебуваємо в замкнутому колі, — каже Ніколь Міранда, інженер, який досліджує стале охолодження в Оксфордському університеті. – І це не тільки порочне коло, але воно прискорюється».
Охолодження є найшвидшим зростаючим джерелом споживання енергії. Міжнародне енергетичне агентство (МЕА) прогнозує, що до 2050 року світовий річний попит на енергію для охолодження зросте більш ніж утричі. Це збільшення більш ніж на 4000 терават-годин. Для наочності: вся Україна в 2020 році згенерувала 148,8 терават-годин.
Стає все більш очевидним, що люди не можуть втекти від зміни клімату за допомогою тієї самої технології кондиціювання повітря, яку ми використовуємо вже майже століття.
Щоб розірвати цикл, потрібні інновації, які допоможуть забезпечити прохолодніше повітря більшій кількості людей, але з меншим впливом на навколишнє середовище.
Однією з добре відомих проблем сучасних систем кондиціонування є їх залежність від хімічних холодоагентів, багато з яких є потужними парниковими газами. Але холодоагенти становлять лише незначну частину кліматичних збитків від кондиціонерів.
Близько 80 відсотків викидів стандартного кондиціонера наразі походять від енергії, яка використовується для його живлення, каже Ніхар Шах, директор Глобальної програми ефективності охолодження Національної лабораторії Лоуренса Берклі.
За словами Шаха, багато роботи було спрямовано на підвищення енергоефективності компресорів і теплообмінників, які є частинами стандартних конструкцій кондиціонерів. Проте більш амбітні проекти спрямовані на зменшення обсягу роботи, яку повинні виконувати ці компоненти.
Наприклад, деякі новітні конструкції кондиціонерів витягують вологу з повітря за допомогою осушувачів (подібно до силікагелю в пакетах, які можна знайти в пляшці з таблетками). Потім осушене повітря можна охолодити до більш прийнятної температури. Цей процес може потребувати додаткової енергії, оскільки осушувач потрібно «перезарядити» за допомогою тепла.
Але деякі компанії, включно з американським стартапом Transaera, переробляють тепло, що виділяється в процесі охолодження, для зарядки осушувача. Transaera стверджує, що розроблювана система може споживати на 35 відсотків менше енергії, ніж середній стандартний кондиціонер.
Ще більший приріст ефективності можливий, коли осушення поєднується з випарним охолодженням, що повністю виключає з рівняння енергоємний процес, який називається стисненням пари.
Компресія парів — система, за якою працює стандартний кондиціонер — проганяє холодоагент через цикл, у якому він розширюється, охолоджуючись, а потім конденсується, нагріваючись.
Випарне охолодження є більш простим процесом. Це те саме, завдяки якому потовиділення охолоджує нашу шкіру: коли вода перетворюється з рідкого стану на газоподібний, вона поглинає тепло. Болотні кулери, саморобні охолоджувальні пристрої, у яких вентилятор обдуває лід повітрям, працюють так само.
А в сухому кліматі люди використовували випарне охолодження протягом тисячоліть. Наприклад, у стародавньому Ірані люди сконструювали yakhch ? ls — великі конусоподібні глиняні споруди з сонячними димоходами, які використовували циркуляцію повітря та випаровування навколишньої води до нижчих за навколишню температуру настільки ефективно, що вони могли робити лід взимку та зберігати його через літо.
Стандартні системи кондиціонування повітря одночасно охолоджують і осушують за допомогою відносно неефективного механізму: щоб конденсувати воду з повітря, каже Шах, вони переохолоджують це повітря за межею комфорту. Тому багато нових конструкцій розділяють процеси осушення та охолодження, що дозволяє уникнути необхідності переохолодження.
Але ця стратегія також підвищує вологість повітря, тому як система охолодження вона прагне працювати лише тоді, коли погода спекотна та суха. Якщо вологість підвищується понад певну позначку, це зводить нанівець комфортні переваги зниженої температури.
Щоб вирішити цю проблему, дослідницькі групи, включно з командою cSNAP Гарвардського університету, розробили кондиціонери, які використовують гідрофобний бар’єр для охолодження шляхом випаровування, утримуючи вологість. Як бонус, холодоагенти, які часто є парниковими газами, у багато разів сильнішими за вуглекислий газ, взагалі не використовуються.
«Ми очікуємо створити на 75 відсотків енергоефективніший кондиціонер повітря», — говорить Джонатан Грінхем, доцент кафедри архітектури в Гарварді та один із провідних дизайнерів cSNAP.
Тим часом компанія Blue Frontier із Флориди випробовує комерційну систему кондиціонування повітря, яка базується як на осушувачі (рідкий сольовий розчин), так і на випарному охолодженні.
Така конструкція осушує повітря, а потім розділяє його на два сусідніх потоки, пояснює генеральний директор компанії Деніел Беттс. Повітря в одному потоці безпосередньо охолоджується шляхом повторного введення вологи та випаровування. Інший потік повітря залишається сухим і охолоджується через тонку алюмінієву стінку, яка втягує холод — але не вологу — від першого потоку. Потім рідкий сольовий осушувач проходить через систему теплового насоса для перезарядки.
Щоб підвищити ефективність, тепловий насос можна запускати вночі, коли енергосистема найменш навантажена, а осушувач можна зберігати для використання в найспекотнішу частину дня. Виходячи з польових випробувань компанії, «ми очікуємо зниження споживання енергії на 50-90 відсотків», – стверджує Беттс.
Але Blue Frontier, cSNAP і Transaera ще не вийшли на ринок. Усі три прогнозують, що до комерційного запуску залишається щонайменше кілька років. І навіть тоді будуть перешкоди, які можуть перешкодити новим системам замінити традиційні кондиціонери. До них належать відносно вищі витрати на виробництво та встановлення, інерція промисловості та політика, яка стимулює купувати дешеві системи.
Навіть з деякими з найкращих доступних технологій, підвищення ефективності може бути недостатньо, щоб компенсувати широко очікуване зростання використання кондиціонерів.
Згідно з найкращою моделлю, МЕА прогнозує, що охолодження в усьому світі потребуватиме на 50 відсотків більше енергії в найближчі 25 років, ніж зараз, говорить Шах. Не вийде просто замінити кожен існуючий кондиціонер на кращу модель і зволікати.
Натомість справді прохолодніше майбутнє потребуватиме використання інших, пасивних стратегій, які спираються на міське планування та проектування будівель, щоб мінімізувати потребу в охолодженні. Додавання зелені та водних об’єктів у міські пейзажі, затінення вікон, розміщення нових будівель з перевагами природного повітряного потоку та модернізація будівель кращою ізоляцією та світловідбивними панелями, які можуть посилати тепло в простір.
«Охолодження — це багатогранний виклик, — каже Снеха Сачар, експерт з енергоефективності некомерційної організації ClimateWorks. – Немає однієї стратегії чи однієї відповіді».
Потрібна комбінація кращих будівель і міст, кращих технологій і кращого розуміння того, що справжня вартість кондиціонування повітря виходить за рамки рахунків за електроенергію. «Те, що ми робимо в одній частині світу, впливає на все глобальне навколишнє середовище», — каже Сахар.
За матеріалами: Scientific American
