未来绿色房屋 古罗马制冷方式获新生

伤我心太深

据美国国家地理网站报道，为了打造更绿色的空调，研究人员提出了一系列想法，进一步利用大自然的能量，例如太阳能制冷。空调改变了发达国家居民的夏季生活，但他们也因此背负昂贵的电费。空调由威利斯-哈维兰-开利1902年发明。早期的空调通过让空气穿过制冷线圈进行制冷。当前的传统空调基本上采取同样方式，它们疯狂消耗电量，在每一次的冷却循环中将气态制冷剂压缩成液态。在这种背景下，一系列打造绿色空调的想法浮出水面。　　1.太阳能制冷
太阳能制冷（图片来源：Tim Wimborne, Reuters）
　　多年来，全世界的科学家都在苦苦思索，如何利用阳光为房间降温。随着夏季的到来，阳光的热度达到顶点，暴晒屋顶和窗户，提高室内温度，让我们感到非常不舒适。对于首先想到这种不舒适的人来说，太阳能制冷似乎违反常识。但对于希望利用巨大的太阳能的人来说，这却是一个完美的想法。
　　由于夏季空调需求猛增，电力系统承受巨大压力，达到临界点。冬季的房屋供暖同样消耗大量电量，但我们还有其他很多选择，例如天然气、石油和木头。传统制冷方式依赖电，造成美国夏季的用电需求暴涨，比冬季高峰时高出20%。美国有超过80%的家庭拥有空调，制冷耗费的电量占家庭总耗电量的8%。电力公司必须启动峰期电厂，才能保证炎热夏季午后的用电需求。提供峰期电力的电厂往往使用传统的低效率化石燃料。
　　虽然空调在欧洲还没有达到非常普及的程度，但欧洲的制冷需求也处于增长趋势，尤其是在2003年可怕的热浪之后，3.5万至5.2万人被热浪夺去生命。为此，欧洲对太阳能制冷的潜力进行了最细致的研究。最近，一些公司引入了采用太阳能光伏电池板的空调，例如照片中呈现的电池板。照片在澳大利亚悉尼拍摄，一名男子正在屋顶上安装太阳能电池板。
　　LG电子公司的混合型太阳能制冷系统和美国雷诺士公司的太阳能辅助供暖与制冷系统就是两个代表性例子。将太阳能光伏电池板与传统空调相连并不是一个完美的解决之道。通常情况下，住宅用中央空调需要耗费2000至5000瓦电量。LG的太阳能电池板只能提供70瓦电量，也就是说，只能节省很少电量。
　　雷诺士表示他们的系统采用一个190瓦太阳能电池板，能够将供暖和制冷费用节省一半。这一系统利用效率最高的模式，可以增加太阳能电池板数量，消费者也可获取耗电情况的实时数据。研究人员表示，在研发低能耗制冷系统的道路上，他们还能取得更大进步。
　　2.热驱动空调
热驱动空调（图片来源：Thermax）
　　瑞士巴塞尔电力公司Industrielle Werke Basel的一个设施，闪闪发光的管道实际上是一个热驱动空调系统。这一系统帮助哥本哈根阿德尔加德(Adelgade)地区的银行、酒店和写字楼、慕尼黑的T-Mobile数据中心以及罗马的菲乌米奇诺机场制冷。
　　热驱动空调系统由印度普纳的塞尔马公司制造，他们将这一系统称之为一种具有可持续性的解决方案，应对当前的环境问题。早在上世纪20年代，这项技术——吸入式制冷——就已经投入商业使用。与标准的空调一样，吸入式制冷机使用沸点较低的制冷剂。制冷剂蒸发时会消除空气中的热量。标准空调利用电压缩机，将气态制冷剂变成液态。吸入式制冷机采用热压缩重新启动这一循环，它们的运转只需要热量，同时没有任何运动部件。
　　吸入式制冷机价格昂贵，性能系数较低，同时受所吸入热量限制，无法输出很高的制冷量。但如果安装在产生额外热量的环境，便是一种高效的解决之道，例如塞尔马公司在巴塞尔、哥本哈根、慕尼黑和罗马安装的热驱动空调系统。此外，这一系统不使用氢氯氟化碳制冷剂，而是利用水、溴化锂或者氨。氢氯氟化碳是一种强温室气体。
　 3.干燥剂增强蒸发空调
干燥剂增强蒸发空调（图片来源：Patrick H. Corkery, National Renewable Energy Laboratory）
　　美国能源部位于科罗拉多州戈尔登的国家可再生能源实验室(以下简称NREL)，高级机械工程师埃里克-科祖巴尔展示一个系统组件。这一系统验证了“伤人的是湿气而不是热度”这句老话背后的基本事实。
　　科祖巴尔和NREL的同事正在研制新一代空调技术，被称之为“干燥剂增强蒸发空调”，简称“DEVap”。科祖巴尔表示，在气候潮湿的地区，这种空调的耗电量比常规空调低40%以上，在美国西南沙漠等沙漠地区更是达到80%到90%，当地的空气已经十分干燥。DEVap空调能够大幅降低用电需求，系统唯一用电的地方就是风扇，用于驱动空气。
　　DEVap空调的制冷秘密就在于一种液态干燥机——一种非常强烈的盐溶液——能够在耗电量极少的情况下祛除空气中的湿气。相比之下，电减湿器往往耗电量极大。空气干燥之后便可通过蒸发冷却制冷。它的工作原理非常简单，与水池类似。当水池中的水从液态变成气态，周围空气的温度便会大幅降低。
　　气候干燥地区的一些家庭已经用上所谓的“湿垫冷却器”，但由于滋生真菌，它们很难维护。NREL研发的空调既可以在潮湿环境又可以在干燥环境下工作。在这个间接蒸发系统内，气流保持干燥，潮湿的一侧封闭，用科祖巴尔的话说“只作为一个散热装置”，因此不会滋生真菌。
　　这种方式让空调实现真正意义上的革命。由于耗电量低，采用热驱动而不是机械驱动，使用太阳能运行这一系统要比常规高耗能空调可靠得多。科祖巴尔说：“干燥剂就是为太阳能制冷准备的，同时也可以一种高效方式控制湿度。这种空调可节省电费，绝缘性高同时无需担心产生真菌和病态建筑问题。如果希望大幅提高建筑的能效，我们必须采用不同的空调技术。”在成功完成DEVap系统小型原型的测试之后，NREL科学家正在制造一个体积更大的原型，验证这项技术的商业前景。


4.“冻结”空调需求
“冻结”空调需求（图片来源：Ice Energy）
　　美国科罗拉多州温莎Ice Energy公司提出了“冻结夏季空调需求”的设想，目前正与加利福尼亚州、安大略等地区的电力公司合作。Ice Energy公司研制的热量储存罐与商业建筑的标准屋顶空调系统相连。晚上，当温度较低以及对电力系统的需求也随之降低时，名为“冰熊”的电动装置便将450加仑(约合1703升)水冻结。冰熊的巨大冰块充当一个电池，储存低廉高效的夜间能量。照片中，线圈被冰包围。
　　白天温度升高，用电需求随之升高，此时的冰熊接手空调中电动马达驱动的压缩机的工作。冰熊并不通过将气态制冷剂压缩成液态这种消耗电量的方式驱逐热量，而是像冰一样发挥作用。此外，由于建筑内的热量被转移到一个冰罐——制冰在温度较低的晚上进行——这一系统无需像一台暴露在中午阳光下的空调压缩机一样拼命运转，因此可以节省电量。Ice Energy表示一台5吨重的压缩机能够让冰熊的制冷时间达到6个小时。公司创始人、副总裁兼首席技术官布莱恩-帕森奈特说：“它是一只体形巨大的动物，也是一块巨大的电池。”
　　由于电力公司不希望在白天启动低效率的峰期电厂，转而使用冰熊降低空调需求，晚间才启动效率更高的电厂，这一系统能够节省30%到40%的发电用燃料。帕森奈特说：“电力公司能够获得可观的效益。”
　　通过使用冰熊永久性改变空调需求，电力公司可以避免或者延缓资本支出。Ice Energy表示，每兆瓦的安装成本大约在150万美元左右，冰熊的成本与传统发电和输电成本大致相当。加州雷丁、萨克拉曼多北部以及2010年秋季投入使用的美国社会安全局办公大楼的屋顶共安装了11台冰熊。每台冰熊与一台5吨重高能效特灵空调系统配合使用。
　　加州洛杉矶郊外的格兰岱尔通过提供经济刺激基金，取代当地建筑的80台老化的低能效HVAC空调系统，改用新型高能效空调系统和冰熊。据格兰岱尔估计，在这一项目的初期阶段，每个地点的年平均耗电量减少了38.6万千瓦时。在加拿大安大略东部，多伦多水电公司和Veridian Connections电力公司正在实施一项试验计划，安装12台冰熊，以降低高峰时的用电需求。这项计划获得安大略电力局环保基金计划的资金支持。
　　5.液体循环空调系统
液体循环空调系统（图片来源：Harvard University）
　　冷水循环这一古罗马的制冷方式已经在哈佛大学安家落户，其位于马萨诸塞州剑桥市46号黑石大街的运营服务设施安装了液体循环冷却空调系统。这座建筑采用了一系列高能效革新技术，液体循环冷却空调系统便是其中之一，帮助其获得美国绿色建筑委员会的最高评级——LEED白金评级。
　　哈佛大学设施维护负责人杰弗里-史密斯表示：“进入这座建筑，公众总是惊叹于它的安静。他们并不知道具体原因，但这里确实没有机械发出的噪音。”液体循环冷却通过对流实现。冷水(温度通常在7.2到10摄氏度)在墙壁或者屋顶管道中循环。气流穿过管道时因冷却落向墙壁。管道周围的盘式装置负责捕获凝聚而成的水珠，将其送回水的源头。哈佛大学的这座建筑采用170个液体循环帷幔，对4万平方英尺(约合3716平方米)的办公空间进行制冷和供暖。由于无需风扇吹动气体穿过管道，这一系统噪音很低。美国能源部劳伦斯-伯克利国家实验室指出，20%需要使用传统空调系统的空间可以采用液体循环系统。
　　Edwards Valance研发的一个系统可以安装在墙壁上，与风机盘管相比，每台装置每年可节省183美元。Edwards Valance发言人帕特-科尔文表示，每平方英尺(约合0.09平方米)的安装费用大约在2.5美元左右，具体费用取决于建筑类型、承包商收费以及位置。她说：“他们可能认为费用比标准风机盘管或者整体式末端空调系统略高一些，但实际情况是，费用在短短3年内便可收回。”
　　6.地下空调
地下空调（图片来源：M. Timothy O'Keefe, Alamy）
　　美国第一位总统乔治-华盛顿出生时的居所用上了“地下空调”。6月，座落于弗吉尼亚州弗雷德里克斯堡附近的乔治-华盛顿出生地国家纪念碑——也一度被称之为“泊普斯溪种植园”(Popes Creek Plantation)——基于丙烷的供暖和制冷系统被一个地热系统取代。除了用可再生能源——地球的恒温——取代化石燃料外，这一系统的噪音也很低，对保持这座建筑的氛围非常重要。这座公园的文化自然资源管理与维护负责人迪克-德莱斯奇表示：“这一系统取得巨大成功，效率之高令人感到可怕。”
　　地热能协会表示，地热泵驱动水或其他液体在地下10到300英尺(约合3到91米)的管道中循环。不管什么季节，地下的温度都保持在12.7摄氏度。在温暖的天气，这座建筑的热量被带入地下，冷却后返回。在寒冷的天气，地下温度超过室内温度，此时，这种地下之旅又起到为房屋供暖的作用，进而减少能量需求。
　　美国国家环境保护局指出，地热泵的耗电量比传统供暖或者制冷系统低25%到50%，能够降低能源消耗和减少碳排放。此外，地热泵在潮湿地区也拥有很高的效率，能够将室内湿度控制在50%左右。这一系统的回报期因具体情况存在差异。地热交换组织首席执行官和总裁道格-多尔蒂刚刚在自己位于伊利诺斯州斯普林菲尔德的家安装售价1.8万美元的地热系统。他表示虽然成本是传统空调系统的两倍，但4到5年内便可收回成本，每年的电费将降低三分之二。
　　7.屋排风扇
屋排风扇（图片来源：Justin Kase, Alamy）
　　普通风扇通过吹动空气为我们送上清凉，但它们并没有冷却空气。全屋排风扇采取截然不同的方式，安装在阁楼或者阁楼与居住空间之间的天花板，在设计上可驱动大量不新鲜的暖气上升，最后被排出房屋，同时将外部温度较低的新鲜空气送进房屋。
　　全屋排风扇生产商Quiet Cool表示，使用全屋排风扇的最理想方式是当夜间室外温度低于29摄氏度时关闭空调，而后打开风扇。负责销售全屋排风扇的R.E. Williams公司表示，这种风扇的售价在430美元至1550美元之间。R.E. Williams的玛丽-德里斯科尔指出，节电率和回收期取决于房屋具体条件和气候。“我们的风扇确实可以节约成本，它的能效超过传统空调。”
　　美国国家环境保护局表示，如果安装不当，全屋排风扇会带来噪音问题。通常情况下，大功率风扇低速运转时发出的噪音低于高速运转的小功率风扇。保护局建议使用橡胶或者毡垫密片安装所有风扇以减少噪音，同时将多速风扇设置为低速。德里斯科尔说R.E. Williams的全屋排风扇噪音在可接受范围内。当然，这种风扇只有在室外温度低于室内温度时才能发挥作用。在夜间温度大幅下降的情况下，全屋排风扇可节省50%到90%的空调费用。