警报:地球温度正在上升!所以人类需要更先进的降温技术。

  国际能源机构(International Energy Agency)2018年发布报告称,2050年之前,空间降温消耗的能量将会增加2倍还要多。空调消耗的电力占了全球电力消耗的10%。空调内部有氢氟碳化合物制冷剂,它会变成比二氧化碳更强的温室气体。

  密歇根大学环境项目主管、环境工程师Shelie Miller说:“这是一个恶性循环圈。地球越来越热,我们打开空调,消耗更多能量。消耗的能量越多,释放的温室气体也越多,结果导致地球更热。”

  如何解决这一问题?科学家工程师正在努力,想开发更复杂、更节能的降温技术。

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  Miller说:“改进HVAC(采暖、通风及空调系统)技术可以提高降温效率,还可以转用可再生能源,这样能减少温室气体排放量。看看人类历史,曾经我们用创新方法给大楼降温,没有使用能耗极高的空调。”

  说到空调这个概念,可以追溯到几个世纪以前。古波斯工程师开发出“badgirs”,它的理念就是将冷风吸进房间,还有“yakhchāls”,它可以制冰,相当于沙漠地区最早的冰箱

  1820年,Michael Faraday发现将氨压缩液化然后再释放,可以给空气降温。1902年,工程师Willis Carrier为纽约Sackett & Wilhelms Lithographing and Printing Company公司设计一种装置,他让循环空气穿过线圈,用氨制冷,这样一来完成彩色打印任务时就可以控制湿度。最终,他的设计变成了世界第一台电力空调,1925年装进时代广场Rivoli剧院,即使是夏天,观众也可以在这里看大片。

  当空调进入消费市场时,最开始是奢侈品,但它很实用,在温暖的环境下可以去湿,可以降温,很快成为必需品。如果空调没有普及,不会有那么多人移居到美国阳光地带(南部地区),香港新加坡也不会发展得那么好。

  保鲜、存储药物和疫苗、给数据中心降温,这些都离不开制冷技术。对于健康、护理、生产来说,制冷也有着举足轻重的地位。今天,研究人员和创业公司正在努力,想把更节能的能源变成凉气。

  德国Saarland大学开发出一种形状记忆金属,这样一来就不需要冰箱了。拉扯镍钛金属丝金属板或者使之变形,可以给合金施加压力,让它的温度上升。当材料回归原始形状,湿度会降到约20度,低于环境湿度。

  Saarland大学教授Stefan Seelecke解释说:“我们的基本理念就是让空间热量散去(比如冰箱内的热量),让预加应力、弹性超强的形状记忆金属舒展开来,然后降温。”

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  研究团队开发出一套凸轮传动原型系统,它把形状记忆线缆捆绑在一起,变成可以旋转的装置,增强降温能力。装置可以用作热泵、空调、冰箱,不需要污染环境的制冷剂。自2016年以来,德国研究基金会(German Research Foundation)一直在资助该项目,欧洲委员会、美国能源部认为这种技术很有前途,也许可以取代蒸汽压缩冷却系统。

  Blue Frontier公司认为,想开发更高效的制冷系统,关键在于可再生能源。2013年,Blue Frontier在佛罗里达成立,它开发的空调用天然气燃料电池生成电力。后来Blue Frontier CEO发现这个市场太小,只有那些装有天然气的大楼才能用,而且燃料电池太贵了,很难普及。

  随后,Blue Frontier与美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)合作,重新设计系统。最终它们为空调装备热化学氯化锂储能装置,能量存入高浓度盐溶液,使用时再释放。

  Betts说:“从早上开始,太阳能越来越强,下午没多久就会渐渐减弱。到了下午晚些时候,大楼电力负载将会达到高峰,所以在电力的生成与消耗上不匹配。”如果装上Blue Frontier空调,就可以存储降温能量,当太阳能处于高峰时存储电能。Betts还说:“有了我们的技术,当电网没有那么拥挤,可再生能源在电力中占据较大比重时,才会消耗电力,完全可以这样做。”

  加州公司SkyCool Systems的想法不太一样,它向夜空求助。2016年SkyCool Systems成立,之后融资99万美元。

  SkyCool Systems联合创始人Aaswath Raman说:“抬头看看天空,它会以热辐射的形式散热。热量通过热辐射散向天空,当中有一部分还会逃往太空。正因如此,任何面向夜空的表面温度会自然下降,降到空气温度之下。”

  想在白天模拟这种效果是一件很难的事。Raman说:“太阳会加热,不论什么材料,温度都会上升,所以会抵消降温效果。我们需要一种高反射、可以持续散出热量的材料。如果将二者结合,即使是白天也能降温。这种技术很有吸引力,因为最需要降温的往往是中午,所以这种免费的被动冷却技术很实用。”

  SkyCool Systems 开发出银板,看起来像太阳能面板,但是银板上面覆盖了光学薄膜,可以将热量变成中等波长的红外线,这些光线穿过大气,进入太空,同时银板又能反射太阳光。SkyCool Systems 已经将银板装在5个地方,有办公大楼,有便利店,银板还可以与现有冷却系统整合,比如冰箱、冰机和空调。

  工程师、公司联合创始人Eli Goldstein说,SkyCool Systems面板有3个优点,一是节能,二是可以减少需求,三是增强冷却能力,节能、减少需求的比例可以达到10-30%。

  不只如此,SkyCool Systems不需要能源、水,这也是一个了不起的优点。Goldstein说:“实际上它的制冷形式是被动的,所以不需要水。冷却时没有必要蒸发水分,所以SkyCool Systems是一套可持续系统,更环保。”

  真的这么完美吗?新制冷技术也有自己的挑战。市场需求很大,SkyCool Systems产能有限,无法跟上需求;至于Blue Frontier,它虽然已经制作出各种原型产品,但是还没有大规模量产,还要继续在现场测试。

  到目前为止,新制冷技术都还没有大规模普及,但这些创新技术为未来铺平了道路。Blue Frontier准备向“空调即服务”( air conditioner as a service)模式转型,SkyCool想用银板取代空调。

  Goldstein说:“在我们的日常生活中,制冷是一种很重要的技术。我们要携手合作,开发更高效的制冷系统,让它们以可持续方式运行。”