冷却建筑物的冷却策略

国家可再生能源实验室的研究人员将这一突破性的想法归功于古代建筑和发展中国家的冷却策略，他们发明的空气冷却器可能会给空调带来革命性的变化。NREL公司的除湿剂增强蒸发系统(DEVAP)获得了今年的研发100大奖。

这个想法诞生于Ron Judkoff还是一名年轻的和平队志愿者时，他住在塞内加尔的Kedougou，那里是地球上最温暖的地方之一。“这就是我真正看到蒸发冷却效果的地方，”NREL建筑技术首席项目经理Judkoff说。

“塞内加尔人会制作这些陶罐来储存水分，”他回忆说。从外面看，这些罐子感觉不湿，但它们是半透水的。粘土中有足够的多孔性，因此发生了蒸发。你可以美美地喝一口凉水——水在锅里是凉的。”

这种半多孔粘土的运作方式与NREL的DEVAP系统中的高科技膜类似。DEVAP在任何气候条件下都可以工作，在达到舒适的制冷效果的同时，可以节省传统空调系统40%到80%的能源消耗。

在和平队任职期间，Judkoff还注意到撒哈拉沙漠和撒哈拉以南地区的土著居民如何巧妙地利用喷泉的喷雾和植物的蒸腾作用，有效地为建筑降温。他在詹姆斯·马斯顿·菲奇(James Marston Fitch)的指导下继续学习建筑，后者是哥伦比亚大学(Columbia University)生物气候建筑的先驱，他对古代人类和现代土著居民实现降温的方式有了更深刻的理解。他们甚至可以利用夜空辐射在沙漠中造冰。他们制作了风铲，将舒缓的自然通风引入沉闷的建筑。后来，他研究了干燥剂——一种能够干燥潮湿空气的材料，如果空调要在炎热潮湿的气候中保持舒适，这是必须的。

“我有这样的想法，如果我们只能结合干燥剂和蒸发冷却，我们可能能够得到一些真正重要的东西，”Judkoff说。“但这只是一个概念，因为以当时可用的材料、成本、重量和体积来看，它看起来不像是可行的。”

然而，Judkoff并没有完全放弃这个想法，在他在NREL的早期，他监督了在NREL的第二栋建筑——太阳能研究设施——第一次全面飞跃到蒸发冷却。在科罗拉多的干燥气候中，蒸发冷却本身就能达到舒适的室内气候。但在美国和世界上空气过于潮湿的大片地区，这种方法不起作用。

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其他国家实验室也致力于改进“房间里的大象”——1909年由威利斯·h·卡里尔首次设计的蒸汽冷凝空调。这让Judkoff和他的NREL同事们可以自由地寻找替代主流方法的方法。将干燥剂干燥与蒸发冷却相结合的关键是找到一种方法将干燥剂从空气中分离出来。

埃里克·科祖巴尔(Eric Kozubal)现在是国家rel公司DEVAP冷却系统的首席研究员，他在一种模仿半多孔粘土特性的薄膜中发现了这个谜团。这些小孔非常小，被称为微孔。该膜允许干燥剂通过膜从空气中吸出水分，同时防止任何干燥剂直接接触空气。

DEVAP空调通常有一个热和质量交换器，它有成百上千条空气通道，每条都有微孔膜。新鲜空气和回流空气的混合物流过这些通道，水蒸气被吸收到膜后流动的干燥剂中。因为水蒸气通过薄膜，它必须有足够的渗透性。同时，相邻的空气通道与流动的干燥剂进行热接触。这些空气通道被水浸润，一个工作气流流动蒸发水膜，从而消除了从干燥剂吸收的热量。这种结合间接蒸发冷却的方法创造了一种非常有效的空气除湿方法。

Eric Kozubal说:“从本质上说，我们能够设计出一种热和质量交换器，其中有四种流体流进入热和质量传递接触。我们这样做，这样这些流就不会与另一个混在一起。这不是一项简单的任务，使用薄膜来容纳液体干燥剂的能力使这种设计成为可能。

“直到薄膜技术的进步和仔细的热力学建模和设计，埃里克才能够提出一种廉价而高效地建造这样一台空调的方法，”Judkoff说。如果没有这些膜，就会出现一个棘手的问题，称为“水滴携带”，即一些具有腐蚀性的干燥剂被吸入空气中。空气进入管道并腐蚀管道。它还会腐蚀金属风扇叶片，在极少数情况下还会腐蚀结构钢。

一旦空气被充分干燥，巧妙的间接蒸发热交换器设计允许它被冷却足够冷却建筑物。出来的空气就像科罗拉多秋日的空气一样干燥凉爽。NREL将AIL Research和Synapse这两家公司作为合作伙伴来构建原型。最后一个装置吸收了每个人的想法。

科祖巴尔说:“我们知道我们不能随便使用任何间接蒸发冷却器。”“我们需要一种蒸发冷却器，它能将温度降低到湿球温度以下，减少水的使用，并净化空气。他们需要保持整个DEVAP包的大小和重量，就像传统的屋顶空调一样。

为了做到这一点，Kozubal开发了一种逆流间接设计，其中少量的供应空气被抽出，并通过供应空气通道附近的蒸发通道进入。通过这种方式，供给空气被冷却通过传导到蒸发通道，而不增加任何水分供给空气。

要完成这个循环，液体干燥剂必须再生以除去它吸收的水分。要做到这一点，需要向干燥剂中加入热量，以提高吸收的水的蒸汽压。把空气吹过这种干燥剂，水蒸气就被带走了，这是在另一个专门设计的热和质量交换器中完成的。

“这台空调通过增加热量来工作，”埃里克说，“我们可以使用天然气、太阳能或许多工业过程中的余热来驱动空调。”

Judkoff说:“我可以预见，将来这种方式会取代世界上大多数的空调。”

Kozubal指出，除了节省大量能源，DEVAP与传统冷却相比还有其他几个优势，包括:

• 不需要在蒸汽压缩系统中使用对环境有害的工作液。
• DEVAP的工作液对环境无害——干燥剂是水和强盐溶液。
• DEVAP允许独立控制温度和湿度，这是传统空调不可能做到的，除非采用昂贵的过冷和再热过程。
• 不需要一个压缩机，和大量昂贵的铜线圈。
• DEVAP采用简单的低压泵和风扇的形式，包含较少的活动部件。
• 尽管DEVAP已经很高效，但仍有很多“热力学空间”可以提高成本效益。

一个典型的直接交换空调冷却和除湿所有的一次，但没有控制的方式。限制多少干燥可以实现是取决于多少水凝结在蒸发盘管当空气通过。

湿球数的限制是典型的蒸发冷却器不能冷却足够的东西或不能创造一个真正舒适的空间时，空气中有很多热和湿度的原因。

相比之下，DEVAP可以在任何气候下提供冷却。第一步是把空气中的水分都拧干。在此过程中，它降低了间接蒸发冷却器所能达到的有效温度极限。它的湿球率为125%——与目前大多数试图达到100%的技术相比，这是一个巨大的福音。

DEVAP的另一个巨大优势是它是一个能源吝啬鬼。直接交换式空调使用25%的能量去湿，75%的能量降低温度。相比之下，DEVAP只在第一步——去除湿气——使用能源。第二步是简单地加入一点水。

“作为一个冷却过程，蒸发冷却是难以置信的有效，”Judkoff说。“事实上，我们需要在干燥空气上投入一点能量，而蒸发冷却的效率就足以弥补这一点。特别是与典型的空调相比，你必须用电来压缩工作流体。

开发一种全新的热力学循环和装置来完成这一过程是困难的。”Kozubal说。这个新装置的概念化需要大量的独创性和材料上的突破才能成为现实。这需要很多思考。我花了很多时间看天花板。”

出版摘自《创新:美国技术商业化杂志》。允许转载。

图像中Suslik1983通过在上面