Август 2023 года в последние решил «расплавить» украинцев жарой, чуть ли не ежедневно преодолевая температурные рекорды, и многие спасаются с помощью кондиционеров. Это больше, чем просто вопрос дискомфорта от пота. Сильная жара является самым смертоносным из всех погодных явлений. Стандартные кондиционеры охлаждают здания, но способствуют глобальному потеплению, в результате которого в последующие годы будет еще жарче. Новые технологии кондиционирования преследуют цель изменить.
Стандартные системы кондиционирования воздуха вовлекли человечество в петлю отрицательной обратной связи. Чем жарче, тем больше людей запускают кондиционер, и тем больше энергии используется, а электростанции при ее производстве выбрасывают больше парниковых газов.
«Мы находимся в замкнутом круге, – говорит Николь Миранда, инженер, исследующий постоянное охлаждение в Оксфордском университете. – И это не только порочный круг, но он ускоряется».
Охлаждение является самым быстрорастущим источником потребления энергии. Международное энергетическое агентство (МЭА) прогнозирует, что к 2050 году мировой годовой спрос на энергию для охлаждения вырастет более чем в три раза. Это увеличение более чем на 4000 терават-часов. Для наглядности: вся Украина в 2020 году сгенерировала 148,8%. терават-часов.
Становится все более очевидным, что люди не могут уйти от изменения климата с помощью той же технологии кондиционирования воздуха, которую мы используем уже почти столетие.
Чтобы разорвать цикл, нужны инновации, которые помогут обеспечить более прохладный воздух большему количеству людей, но с меньшим влиянием на окружающую среду.
Одной из хорошо известных проблем современных систем кондиционирования является их зависимость от химических хладагентов, многие из которых являются мощными парниковыми газами. Но хладагенты составляют лишь незначительную часть климатических убытков от кондиционеров.
Около 80 процентов выбросов стандартного кондиционера происходит от энергии, используемой для его питания, говорит Нихар Шах, директор Глобальной программы эффективности охлаждения Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.
По словам Шаха, многие работы были направлены на повышение энергоэффективности компрессоров и теплообменников, являющихся частями стандартных конструкций кондиционеров. Однако более амбициозные проекты направлены на уменьшение работы, которую должны выполнять эти компоненты.
К примеру, некоторые новейшие конструкции кондиционеров извлекают влагу из воздуха с помощью осушителей (подобно силикагелю в пакетах, которые можно найти в бутылке с таблетками). Затем осушенный воздух можно охладить до более приемлемой температуры. Этот процесс может потребовать дополнительной энергии, поскольку осушитель нужно перезарядить с помощью тепла.
Но некоторые компании, включая американский стартап Transaera, перерабатывают тепло, выделяемое в процессе охлаждения, для зарядки осушителя. Transaera утверждает, что разрабатываемая система может потреблять на 35 процентов меньше энергии, чем стандартный средний кондиционер.
Еще больший прирост эффективности возможен, когда осушка сочетается с испарительным охлаждением, что полностью исключает из уравнения энергоемкий процесс, называемый сжатием пара.
Компрессия паров – система, за которой работает стандартный кондиционер – прогоняет хладагент через цикл, в котором он расширяется, охлаждаясь, а затем конденсируется, нагреваясь.
Выпарное охлаждение является более обычным действием. Это то же самое, благодаря которому потоотделение охлаждает нашу кожу: когда вода превращается из жидкого состояния в газообразное, она поглощает тепло. Болотные кулеры, самодельные охлаждающие устройства, в которых вентилятор обдувает лед воздухом, работают так же.
А в сухом климате люди использовали испарительное охлаждение тысячелетий. Например, в древнем Иране люди сконструировали yakhch? ls — большие конусообразные глиняные сооружения с солнечными дымоходами, которые использовали циркуляцию воздуха и испарение окружающей воды до более низких при окружающей температуре настолько эффективно, что они могли делать лед зимой и хранить его через лето.
Стандартные системы кондиционирования воздуха одновременно охлаждают и осушают посредством относительно неэффективного механизма: чтобы конденсировать воду из воздуха, говорит Шах, они переохлаждают этот воздух за пределом комфорта. Поэтому многие новые конструкции разделяют процессы осушения и охлаждения, что позволяет избежать необходимости переохлаждения.
Но эта стратегия также повышает влажность воздуха, так как система охлаждения стремится работать только тогда, когда погода жаркая и сухая. Если влажность повышается сверх определенной отметки, это сводит к нулю комфортные преимущества пониженной температуры.
Чтобы решить эту проблему, исследовательские группы, включая команду cSNAP Гарвардского университета, разработали кондиционеры, которые используют гидрофобный барьер для охлаждения путем испарения, удерживая влажность. Как бонус, хладагенты, которые часто являются парниковыми газами, во много раз сильнее углекислого газа, вообще не используются.
«Мы ожидаем создать на 75 процентов более энергоэффективный кондиционер воздуха», — говорит Джонатан Гринхэм, доцент кафедры архитектуры в Гарварде и один из ведущих дизайнеров cSNAP.
Тем временем компания Blue Frontier из Флориды испытывает коммерческую систему кондиционирования воздуха, базирующуюся как на осушителе (жидкий солевой раствор), так и на испарительном охлаждении.
Такая конструкция осушает воздух, а затем разделяет его на два соседних потока, объясняет генеральный директор компании Дэниел Беттс. Воздух в одном потоке непосредственно охлаждается путем повторного ввода и испарения. Другой поток воздуха остается сухим и охлаждается через тонкую алюминиевую стенку, втягивающую холод – но не влагу – от первого потока. Затем жидкий солевой осушитель проходит через систему теплового насоса для перезарядки.
Чтобы повысить эффективность, тепловой насос можно запускать ночью, когда энергосистема менее нагружена, а осушитель можно хранить для использования в самую жаркую часть дня. Исходя из полевых испытаний компании, «мы ожидаем снижения потребления энергии на 50-90 процентов», — утверждает Беттс.
Но Blue Frontier, cSNAP и Transaera еще не вышли на рынок. Все три прогнозируют, что до коммерческого запуска остается не менее нескольких лет. И даже тогда будут помехи, которые могут помешать новым системам заменить традиционные кондиционеры. К ним относятся относительно более высокие затраты на производство и установку, инерция промышленности и политика, стимулирующая покупать дешевые системы.
Даже с некоторыми из лучших доступных технологий, повышения эффективности может быть недостаточно, чтобы компенсировать широко ожидаемый рост использования кондиционеров.
Согласно лучшей модели, МЭА прогнозирует, что охлаждение во всем мире потребует на 50 процентов больше энергии в ближайшие 25 лет, чем сейчас, говорит Шах. Не получится просто заменить каждый существующий кондиционер на лучшую модель и медлить.
В действительности прохладнее будущее потребует использования других, пассивных стратегий, опирающихся на городское планирование и проектирование зданий, чтобы минимизировать потребность в охлаждении. Добавление зелени и водных объектов в городские пейзажи, затенение окон, размещение новых зданий с преимуществами природного воздушного потока и модернизация зданий лучшей изоляцией и световозвращающими панелями, которые могут посылать тепло в пространство.
«Охлаждение – это многогранный вызов, – говорит Снеха Сачар, эксперт по энергоэффективности некоммерческой организации ClimateWorks. – Нет одной стратегии или одного ответа».
Нужна комбинация лучших построек и городов, лучших технологий и лучшего понимания того, что настоящая стоимость кондиционирования воздуха выходит за рамки счетов за электроэнергию. «То, что мы делаем в одной части мира, влияет на всю глобальную окружающую среду», — говорит Сахар.
По материалам: Scientific American
