冷却建筑物的凉爽策略

美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)的研究人员认为，古代建筑和发展中国家的制冷策略是他们打破常规的思维方式，从而发明了可能会给空调带来革命的空气冷却器。NREL的干燥剂增强蒸发系统(DEVAP)今年获得了“研发100奖”。

这个想法产生于罗恩·贾德科夫(Ron Judkoff)是一名和平队(Peace Corps)的年轻志愿者，当时他在塞内加尔的凯杜古(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的有效性的地方，”NREL建筑技术的主要项目经理Judkoff说。

“塞内加尔人会制作这些陶罐来盛水，”他回忆说。“这些花盆从外面看不湿，但它们是半透水的。粘土中有足够的多孔性，因此会发生蒸发。你可以好好喝一口凉水——水在锅里会保持冰凉。”

这种半多孔粘土的操作方式与NREL的DEVAP系统中的高科技膜的操作方式类似。DEVAP可以在任何气候条件下工作，实现舒适的制冷，同时节省传统空调系统40%至80%的能源消耗。

在他担任和平队成员期间，Judkoff还注意到撒哈拉以南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剂和植物的蒸腾作用来有效地冷却他们的建筑。后来，他在哥伦比亚大学生物气候建筑学先驱詹姆斯·马斯顿·费奇(James Marston Fitch)的指导下学习建筑，并对古代人和现代土著居民实现冷却的方式产生了更大的欣赏。他们甚至可以利用夜空辐射在沙漠中造冰。他们制作了风筒，将舒缓的自然通风引入原本沉闷的建筑。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，干燥剂是必须的。

贾德科夫说:“我有一个想法，如果我们能把干燥剂和蒸发冷却结合起来，我们可能会得出一些真正重要的东西。”“但这只是一个概念，因为当时可用的材料、成本、重量、体积——看起来不太可能成功。”

然而，Judkoff从来没有完全放弃这个想法，在他在NREL的早期，他监督了第一次全面的飞跃，在NREL的第二幢建筑，太阳能研究设施，蒸发冷却。在科罗拉多州的干燥气候中，蒸发冷却本身就可以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，它就不起作用了。

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其他国家实验室的任务是尝试改进“房间里的大象”——1909年由Willis H. Carrier首次设计的蒸汽冷凝空调。这使得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将干燥剂从空气中分离出来的方法。

Eric Kozubal现在是NREL的DEVAP冷却系统的首席研究员，他在一种模拟半多孔粘土特性的薄膜中发现了这个难题的一部分。这些洞非常小，所以它们被称为微孔。这种薄膜允许干燥剂通过薄膜从空气中吸取水分，同时防止任何干燥剂直接与空气接触。

DEVAP空调通常有一个热量和质量交换器，它有成百上千的空气通道，每个通道内衬微孔膜。新鲜空气和建筑回风的混合物通过这些通道，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，所以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湿，一股工作的气流会蒸发这个水膜，从而从干燥剂中除去吸收的热量。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:“基本上，我们能够设计一个热和质量交换器，有四种流体进入热和质量传递接触。我们这样做的方式是，这些溪流没有与其他溪流混合。”这不是一项简单的任务，它是使用膜容纳液体干燥剂的能力，使这样的设计成为可能。

贾德科夫说:“直到膜技术的进步和仔细的热力学建模和设计，埃里克才能够想出一种方法，廉价而有效地建造这样的空调。”如果没有薄膜，就会出现一个棘手的问题，即液滴携带，一些腐蚀性的干燥剂会在空气中夹带。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。

一旦空气足够干燥，聪明的间接蒸发热交换器设计允许它冷却足够冷却一座建筑。出来的是干燥、凉爽的空气，就像科罗拉多州秋日的天气一样。NREL招募了两家公司，AIL Research和Synapse，作为合作伙伴来建造原型。最后的装置融合了每个人的想法。

Kozubal说:“我们知道我们不能随便从架子上随便买一个间接蒸发冷却器。”“我们需要一个蒸发冷却器，可以将温度降低到湿球温度以下，最大限度地减少水的使用量，并清除空气。”他们需要保持整个DEVAP组件的尺寸和重量，类似于传统的屋顶空调。

为了做到这一点，Kozubal开发了一个逆流间接设计，其中少量的供应空气被放掉，并通过邻近的供应空气通道的蒸发通道馈入。通过这种方式，供应空气通过传导到蒸发通道冷却，而不向供应空气添加任何水分。

为了完成这个循环，液体干燥剂必须再生以去除它所吸收的水分。为了达到这个目的，向干燥剂中加入热量，以提高被吸收的水的蒸汽压。将空气吹过这个热干燥剂，水蒸气就被带走了，这是在另一个特别设计的热量和质量交换器中完成的。

“这种空调是通过加热来工作的，”埃里克说，“我们可以使用天然气、太阳能热或许多工业过程的废热来驱动空调。”

Judkoff说:“我可以预见，有一天这种方式将取代世界上大多数空调。”

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

• 不需要蒸汽压缩系统中对环境有害的工作流体。
• DEVAP的工作流体是对环境无害的——水和干燥剂的强盐溶液。
• DEVAP允许独立控制温度和湿度，这是传统空调无法实现的，除非采用昂贵的过冷和再加热过程。
• 不需要压缩机，和大量昂贵的铜线圈。
• DEVAP以简单的低压泵和风机的形式包含较少的运动部件。
• 尽管DEVAP已经很有效，但仍有很大的“热力空间”来提高成本效益。

一个典型的直接交换空调冷却空气和除湿它一次，但不是在一个可控的方式。达到多少干燥的限制取决于有多少水凝结在蒸发器盘管，因为空气通过。

湿球温度的限制是典型的蒸发式冷却器无法足够冷却物体的原因，或者当空气中有很多热量和湿度时，不能创造一个真正舒适的空间。

相比之下，DEVAP可以在任何气候条件下提供冷却。第一阶段拧干空气中的水分。在这样做时，它降低了间接蒸发冷却器所能达到的有效温度限制。它的湿球率高达125%，与目前试图接近100%的技术相比，这是一个巨大的福利。

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25%的能量用于除湿，75%的能量用于降温。相比之下，DEVAP仅在第一步即去除湿度时使用能源。第二步只需加一点水即可。

“作为一种冷却过程，蒸发冷却是非常有效的，”Judkoff说。“事实上，我们不得不花一点精力来干燥空气，这远远超过了蒸发冷却的效率。特别是与典型的空调相比，在那里你必须使用电力来压缩工作流体。

“开发一个全新的热力学循环和完成这一过程的设备是很困难的。”Kozubal说。将这种新设备概念化需要大量的独创性和材料上的突破才能成为现实。这需要深思熟虑。我花了很多时间仰望天花板。”

出版《创新:美国技术商业化杂志》。允许转载。

图像中Suslik1983通过在上面