Køling af bygninger verden over

Omkring 40 procent af al den energi, der forbruges af bygninger på verdensplan, bruges til rumopvarmning og -køling. Med det opvarmende klima samt voksende befolkninger og stigende levestandard - især i varme, fugtige områder i udviklingslandene - niveauet af afkøling og affugtning, der er nødvendigt for at sikre komfort og beskytte menneskers sundhed, forventes at stige brat, øger den globale energiefterspørgsel.

Mange diskussioner fokuserer nu på at erstatte de drivhusgasser, der ofte bruges som kølemidler i nutidens klimaanlæg. Men en anden presserende bekymring er, at de fleste eksisterende systemer er ekstremt energi-ineffektive.

"Hovedårsagen til, at de er ineffektive, er, at de har to opgaver at udføre, " siger Leslie Norford, George Macomber (1948) professor i byggeledelse ved Institut for Arkitektur. "De skal sænke temperaturen og fjerne fugt, og at gøre begge disse ting sammen kræver meget ekstra energi."

Standardtilgangen til affugtning er at lede koldt vand gennem rør inde i et bygningsrum. Hvis dette vand er koldere end dugpunktstemperaturen, vanddamp i luften vil kondensere på de ydre overflader af rørene. (Tænk på vanddråber, der perler op på en kold sodavandsdåse på en varm, fugtig dag.) I et klimaanlæg, at vandet kan falde af udenfor eller, i et storstilet system, der betjener en bygning, samles i en opsamlingspande.

Problemet er, at det kræver meget strøm at køre en køler for at få så koldt vand - og vandet er meget koldere end nødvendigt for at sænke temperaturen i rummet. At adskille de to funktioner giver energibesparelser på to fronter. Fjernelse af fugt fra udendørsluft, der bringes ind i bygningen, kræver koldt vand, men langt mindre af det, end der er nødvendigt for at fjerne varme fra beboede områder. Med det arbejde udført, at køre køligt (ikke koldt) vand gennem rør i loftet eller gulvet vil opretholde en behagelig temperatur.

For et årti siden, Norford og hans kolleger ved Masdar Institute i Abu Dhabi bekræftede de energimæssige fordele ved at opretholde behagelige temperaturer ved at bruge koldtvandsrør i rummet - især når indendørs rum er forkølede om natten, når elektriciteten er billig og udeluften er kølig. Men affugtningsprocessen forblev ineffektiv. Kondenserende vanddamp er i sagens natur energikrævende, så forskerne skulle finde en anden måde at fjerne fugt på.

Lån fra afsaltningsanlæg

To år siden, et lovende alternativ blev bragt til Norfords opmærksomhed af John Lienhard, MIT's Abdul Latif Jameel professor i vand og maskinteknik. Lienhard er Norfords kollega ved Center for Environmental Sensing and Modeling, en forskergruppe ved Singapore-MIT Alliance for Research and Technology. Lienhard arbejdede på energieffektive teknologier til afsaltning. At koge havvand for at udfælde saltet er meget energikrævende, så Lienhards gruppe kiggede i stedet på at bruge semipermeable membraner, der lukker vandmolekyler igennem, men stopper saltioner. Norford mente, at der kunne designes en lignende membran, der tillader vanddampmolekyler at passere igennem, så de kan adskilles fra andre, større molekyler, der udgør indeluften.

Dette koncept blev genstand for et projekt udført af to maskiningeniørstuderende:Tianyi Chen, som arbejdede med Norford om indvirkningen af ​​udendørs luftstrømme på bygningens energiydelse, og Omar Labban, som samarbejdede med Lienhard om at bruge membraner i afsaltningsanlæg. Eleverne mødtes i en avanceret energikonverteringsklasse undervist af Ahmed Ghoniem, Ronald C. Crane ('72) professor i maskinteknik. Parret til et klasseprojekt, de identificerede klimaanlæg som et emne, der ville trække på deres respektive forskningsområder og bruge deres nyerhvervede ekspertise inden for termodynamisk modellering og analyse.

Deres første opgave var at udvikle en termodynamisk model af de grundlæggende processer involveret i aircondition. Ved at bruge den model, de beregnede det teoretisk mindst nødvendige arbejde for at opnå affugtning og afkøling. De kunne så beregne den såkaldte anden lovs effektivitet af en given teknologi, det er, forholdet mellem det teoretiske minimum og dets faktiske energiforbrug. Ved at bruge denne metric som benchmark, de kunne udføre en systematisk, konsekvent sammenligning af forskellige designs i forskellige klimaer.

Som et industrielt benchmark til sammenligning, de brugte ydeevnekoefficient (COP), en metrik, der viser, hvor mange enheder af køling, der er tilvejebragt for hver enhed af input elektricitet. COP'en bruges af nutidens producenter, så det kunne vise, hvordan forskellige designs kan fungere i forhold til det nuværende udstyr. Til reference, Norford nævner COP for kommercielt tilgængelige systemer som spænder fra 5 til 7. "Men producenterne kommer konstant med bedre udstyr, så målstængerne for konkurrenter bevæger sig konstant, " han siger.

Norfords tidligere forskning havde vist, at koldtvandsrør i loftet eller gulvet effektivt kan håndtere indendørs kølebelastninger - dvs. varmen fra mennesker, computere, sollys, og så videre. Forskerne fokuserede derfor på at fjerne varme og fugt fra udeluften, der blev hentet ind til ventilation.

De startede med at undersøge ydeevnen af ​​et kommercielt tilgængeligt klimaanlæg, der bruger standard dampkompressionssystem (VCS), der har været brugt i det sidste århundrede. Deres analyse kvantificerede ineffektiviteten ved ikke at adskille temperatur- og fugtighedskontrol. Yderligere, det pegede på en væsentlig kilde til denne ineffektivitet:kondensationsprocessen. Deres resultater viste, at systemet var mindst effektivt i køling, fugtige forhold og forbedret, efterhånden som forholdene blev varmere og tørrere. Men når det er bedst, den brugte fem til 10 gange mere energi end det teoretiske minimum, der kræves. Dermed, der var betydelige muligheder for forbedringer.

Membraner og tørremidler

For at udforske brugen af ​​membranteknologi, forskerne begyndte med et simpelt system, der inkorporerede en enkelt membranholdig enhed. Udeluft kommer ind i enheden, og en vakuumpumpe trækker vanddampen i den hen over membranen. Pumpen hæver derefter trykket til omgivende niveauer, så vanddampen bliver til flydende vand, før den udstødes fra systemet. Den ikke længere fugtige udendørsluft passerer fra membranenheden gennem en konventionel kølespiral og kommer ind i det indendørs rum, giver frisk luft til ventilation og skubber noget varmere, fugtig afkastluft udendørs.

Ifølge deres analyse, systemet fungerer bedst under relativt tørre forhold, men selv da opnår den en COP på kun 1,3 - ikke høj nok til at konkurrere med et nuværende system. Problemet er, at det bruger meget energi at køre vakuumpumpen med høje kompressionsforhold.

For at hjælpe med at afkøle den indkommende luftstrøm, forskerne forsøgte at tilføje en varmeveksler til at overføre varme fra den varme indkommende luft til den kølige udsugningsluft og en kondensator for at omdanne vanddamp opfanget af membranenheden til koldt vand til kølespiralen. Disse ændringer skubbede COP op til 2,4 - bedre, men ikke højt nok.

Forskerne overvejede derefter muligheder ved at bruge tørremidler, materialer, der har en stærk tendens til at adsorbere vand og ofte er pakket med forbrugerprodukter for at holde dem tørre. I klimaanlæg, en tørremiddelbelægning er typisk monteret på et hjul, der er placeret mellem den indgående og udsugende luftstrøm. Når hjulet roterer, en del af tørremidlet passerer først gennem den indkommende luft og absorberer fugt fra den. Det passerer derefter gennem den opvarmede udsugningsluft, som tørrer den, så den er klar til at absorbere mere fugt ved næste passage gennem den indkommende luft.

Forskerne begyndte med at analysere adskillige systemer med et tørremiddelhjul, men gevinsterne i COP var begrænsede. De forsøgte derefter at bruge tørremiddel- og membranteknologierne sammen. I dette design, et tørremiddelhjul, en membran fugtveksler, og en varmeveksler overfører alle fugt og varme fra den indkommende luft til udsugningsluften. En kølespiral afkøler den indkommende luft yderligere, før den leveres til det indendørs rum. En varmepumpe opvarmer udsugningsluften, som derefter passerer gennem tørremidlet for at tørre og regenerere det til fortsat brug.

Dette komplicerede "hybrid"-system giver en COP på 4 under en lang række temperaturer og luftfugtighed. Men det er stadig ikke højt nok til at konkurrere.

To-membran system

Forskerne prøvede derefter et nyt system, der udelader tørremiddelhjulet, men inkluderer to membranenheder, giver et design, der er relativt enkelt, men mere spekulativt end de andre. Det nye nøglekoncept involverede skæbnen for vanddampen i den indkommende luftstrøm.

I dette system, en vakuumpumpe trækker vanddampen gennem en membran - nu kaldet membranenhed 1. Men den opfangede vanddamp skubbes så hen over membranen i enhed 2 og slutter sig til udblæsningsluftstrømmen - uden nogensinde at blive til flydende vand. I dette arrangement, Vakuumpumpen skal kun sikre, at damptrykket er højere på opstrømssiden af ​​membran 2 end på nedstrømssiden, således at vanddampen presses igennem. Der er ikke behov for at hæve trykket til omgivende niveauer, som ville kondensere vanddampen, så det kræver mindre arbejde at køre vakuumpumpen. Den nye tilgang resulterer i en COP, der kan nå så højt som 10 og opnår en COP på 9 ved mange kombinationer af temperatur og fugtighed.

Forskellige muligheder for forskellige byer

For de fleste af de analyserede systemer, ydeevnen varierer ved forskellige kombinationer af omgivende temperatur og fugtighedsniveau. For at undersøge den praktiske virkning af denne variabilitet, forskerne undersøgte, hvordan udvalgte systemer ville fungere i fire byer med forskelligt klima. I hvert tilfælde, analysen antog en gennemsnitlig sommertid udendørstemperatur og relativ luftfugtighed.

Generelt, de systemer, de mente, overgik det konventionelle VCS, der opererede på COP'er i overensstemmelse med gældende praksis. For eksempel, i Dubai (der repræsenterer et tropisk ørkenklima), brug af hybridmembran-tørremiddelsystemet kunne reducere energiforbruget med så meget som 30 procent i forhold til standard VCS. I Las Vegas (et subtropisk tørt klima), hvor luftfugtigheden er lavere, et tørremiddelbaseret system (uden membran) er den mest effektive mulighed, potentielt også medføre en reduktion på 30 procent.

I New York (et subtropisk fugtigt klima), alle designs ser godt ud, men det tørremiddelbaserede system klarer sig bedst med en reduktion på 70 procent i det samlede energiforbrug. Og i Singapore (et tropisk oceanisk klima), tørremiddelsystemet og det kombinerede membran-tørremiddelsystem klarer sig lige så godt, med en potentiel besparelse på så meget som 40 procent – ​​og givet omkostningerne ved de to muligheder, systemet alene med tørremiddel fremstår som det bedste valg.

Taget sammen, forskernes resultater giver to nøglebudskaber til at opnå mere effektiv indendørs køling på verdensplan. Først, Brug af membraner og tørremidler kan øge klimaanlæggets effektivitet, men de reelle præstationsgevinster kommer, når sådanne teknologier inkorporeres i omhyggeligt designede og integrerede systemer. Og for det andet, det lokale klima og tilgængeligheden af ​​ressourcer – både energi og vand – er kritiske faktorer, der skal tages i betragtning, når man skal beslutte, hvilket klimaanlæg der vil levere den bedste ydeevne i et givet område af verden.