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全球冷却建筑物

分析指出了节能系统的道路

南希·w·Stauffer · 2018年6月7日 · 想要

简单来说

麻省理工学院研究人员的基本分析证实,提出了对空调的新方法可以显着降低冷却和除湿室内空间所需的能量 - 作为人群生长和气候变暖的升级需求。今天的空调通过冷凝水蒸汽脱离空气,其固有的能量效率低。研究人员的研究重点是使用天然吸附水分或膜的干燥剂材料,使水蒸气分子,但不空气通过。它们的热力学分析表明,这些技术可以产生高效率 - 但仅当它们结合到具有集成热回收设备的精心设计的系统中时。结果还表明系统的性能可以在不同的环境温度和湿度水平下显着变化。因此,将技术与气候匹配是至关重要的。


全球建筑消耗的所有能源中,约40%用于空间取暖和制冷。随着气候变暖、人口增长和生活水平的提高——尤其是在炎热潮湿的发展中国家,为确保舒适和保护人类健康所需的冷却和除湿水平预计将急剧上升,从而推高全球能源需求。

现在很多讨论专注于更换当今空调中经常用作制冷剂的温室气体。但另一个问题是,大多数现有系统都是极度的能量效率。“他们效率低下的主要原因是他们有两个任务,”Leslie Norford.,乔治·麦呢(1948)建筑部施工管理教授。“他们需要降低温度并去除水分,并使这两种东西一起服用很多额外的能量。”

除湿的标准方法是通过建筑空间内的管道运行冷水。如果该水比露点温度更冷,空气中的水蒸气将在管道的外表面上凝结。(想想水滴在冷苏打水上串珠,在一个热,潮湿的日子里。)在空调系统中,水可以在外面或中掉出在一个大规模的系统中脱落,为建筑物送入集合锅中。

问题是,运行冷水机冷却器让冷却需要大量电力 - 水远远低于房间中的温度。分离两个功能会在两个前面带来节能。从户外空气中移除到建筑物中的水分需要冷水,但它比从被占领区域移除热量的更少。随着该工作完成,在天花板或地板上通过管道运行酷(不冷)水将保持舒适的温度。

在工作时马斯达尔学院在十年前的阿布扎比,Norford和他的同事证实了在房间里使用冷水管道来保持舒适温度的能源效益——特别是当夜间室内空间预冷,电力便宜,室外空气凉爽的时候。但是除湿过程仍然效率低下。凝结的水蒸气本质上是能源密集型的。研究人员需要找到另一种去除湿度的方法。

借鉴海水淡化系统

两年前,有前途的替代方案被带到诺福德的注意力约翰Lienhard他是麻省理工学院水与机械工程的Abdul Latif Jameel教授,以及Norford在环境传感与建模中心的同事,该中心是麻省理工学院的一个研究小组新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟。林哈德当时正在研究用于海水淡化的节能技术。煮沸海水沉淀盐是非常耗能的,所以林哈德的研究小组转而考虑使用“半透”膜,这种膜允许水分子通过,但阻止盐离子。诺福德认为,可以设计一种类似的薄膜,让水蒸气分子通过,这样它们就可以与构成室内空气的其他更大的分子分开。

这一概念成为了两个机械工程研究生开展的项目的主题:Tianyi Chen,他与Norford合作研究室外气流对建筑能源性能的影响,Omar Labban,他与Lienhard合作研究在海水淡化系统中使用膜。学生们在由Ahmed Ghoniem.,罗纳德C. Crane('72)机械工程教授。与课堂项目一起配对,他们确定了空调作为一个主题,将借鉴其各自的研究兴趣领域,并利用他们新获得的热力学建模和分析专业知识。

他们的第一任务是开发一种涉及空调所涉及的基本进程的热力学模型。使用该模型,他们计算了实现除湿和冷却所需的理论“最小作品”。然后,它们可以计算给定技术的所谓的二级效率,即理论最小值与其实际能耗的比率。使用该公制作为基准,它们可以进行系统,一致地比较不同气候中的各种设计。

作为比较的工业基准,它们使用了性能系数(COP),一个指标,该指标显示为每个输入电量提供多少单位的冷却单元。COP由当今的制造商使用,因此它可以显示不同的设计如何相对于当前设备执行。供参考,诺福德将商业上可获得的系统的警告引用,从5到7中的范围内。“但制造商不断地提出更好的设备,因此竞争对手的守门员正在不断发展,”他指出。

检查现状

诺福德的早期研究表明,天花板或地板上的冷水管道可以有效地处理室内的制冷负荷——即来自人、电脑、阳光等的热量。万博体育平台网页因此,研究人员专注于从室外空气中去除热量和湿气,这些空气是用来通风的。

他们通过检查商业空调的性能 - 过去世纪已经使用的标准蒸汽压缩系统(VCS)。它们的分析量化了不分离温度和湿度控制的低效率。此外,它针对效率低下的主要来源:凝结过程。

使用他们的模型,研究人员经过测试,了解性能如何在室外温度和湿度水平的各种假设下改变,因此VCS单位可能在不同的气候中进行。毫不奇怪,随着条件变得更热,更干燥,它在凉爽,潮湿的条件下,它是最不高的有效性。但最佳,设计使用比所需的理论最低限度为5至10倍。因此,有重大的改进机会。

膜、干燥剂

研究人员接下来考虑了膜技术。下面的示意图和说明是他们分析的最简单的基于膜的设计。室外空气进入膜单元,真空泵将水蒸气拉过膜。然后泵将压力提高到环境水平,这样水蒸气在从系统中喷射出来之前就变成了液态水。不再潮湿的室外空气从膜单元通过传统的冷却盘管进入室内空间,提供新鲜空气供通风,并将一些温暖潮湿的排风推向室外。

膜冷却系统与真空泵在这种设计的核心,是一种含有膜的单元,允许水蒸气分子通过但阻止进入空气中的其他分子。室外空气进入膜单元,真空泵吸出水蒸汽,然后提高空气压力并排出形成的液体水。离开膜单元的空气然后通过冷却线圈并进入室内空间。温暖的,潮湿的空气从那个空间发泄户外。彩色图表显示了系统的各种环境温度和湿度的各种组合的性能系数(COP)。

彩色图表显示了该系统在不同温度和相对湿度组合下的COP。最好的性能出现在相对干燥的条件下,但即使这样,它也只能达到1.3的COP——不足以与现有系统竞争。问题是运行高压缩比的真空泵会消耗大量的能量。

为了推动膜系统的COP,研究人员尝试添加更多组件来帮助冷却进入的空气流。例如,它们插入热交换器以将热量从温暖的进入空气转移到凉爽的排气。并且它们添加了冷凝器,以将被膜单元捕获的水蒸气变成冷却卷材的冷水。制作这些变化将警察带到高达2.4 - 更好但不够高。

研究人员接下来考虑了使用具有强烈吸附水倾向的干燥剂材料的选择,并且通常与消费产品包装以保持干燥。在空调系统中,干燥剂涂层通常安装在位于进入和排气流动之间的车轮上。当车轮旋转时,一部分干燥剂首先通过进入的空气并从中吸附水分。然后它通过加热的排气,使其干燥,因此可以通过进入空气进行更多的湿度来吸附更多的水分。

研究人员开始通过分析包含一个干燥载体的多个系统,但COP的收益是有限的。使用蒸发冷却系统代替冷却盘管推动COP,特别是在热,干燥的条件下。然而,蒸发冷却需要丰富的水供应,因此在世界的一些地区这是不切实际的。

接下来,他们尝试将干燥剂和膜技术结合使用。在本设计中,干燥剂轮、膜式湿气交换器和热交换器将进风中的湿气和热量全部转移到排风中。冷却盘管进一步冷却进入室内的空气之前,它被送到室内空间。热泵加热排出的空气,然后通过干燥剂使其干燥并再生以供继续使用。

这种复杂的“杂交”系统在各种温度和湿度下产生4个COP。但这仍然不足以竞争。

双膜系统

下图显示了研究人员检查的另一种配置。这种新颖的系统省略了干燥剂轮,而是包括两个膜单元,产生一个比其他更简单但更具投机的设计。

双膜系统在该系统中,进入空气通过膜单元1,热交换器和冷却线圈,在将其递送到室内空间之前,将热交换器和冷却线圈一起穿过。与先前的系统一样,真空泵将水蒸气分子拉出进入的空气。但是在这种设计中,泵提高了不对环境水平的压力,而是足以超过膜单元2以下的蒸汽压力。得到的压力差将水蒸气通过膜单元2并进入排气流 - 而不冷凝。Exhaust air from the indoor space passes through the heat exchanger and then through a heat pump, which operates only when the exiting air is saturated, thereby ensuring that vapor doesn’t condense and foul the surfaces in membrane unit 2. This novel design achieves a COP of 9 or more under a range of climate conditions.

这里的关键新概念涉及进入空气流中的水蒸气的命运。如在第一图所示的系统中,真空泵通过膜 - 现在被称为膜单元1拉动水蒸气。然后将捕获的水蒸气在单元2中穿过膜并加入排气流 - 没有变成液态水。

在这种布置中,真空泵必须确保在膜2的上游侧的蒸气压比下游侧的上游侧更高,从而推动水蒸气。没有必要将压力提高到环境水平,这将冷凝水蒸气,因此运行真空泵需要更少的工作。随着彩色图表所显示的,这种方法导致能够高达10的警察,在许多温度和湿度的组合中实现9个COP。

不同城市有不同的选择

对于大多数系统分析,性能在环境温度和湿度水平的不同组合中变化。为了调查这种可变性的实际影响,研究人员审查了选择的系统在四个城市中如何具有不同的气候。在每种情况下,分析假设平均夏季室外温度和相对湿度。

通常,他们认为的系统优于与当前实践一致的COPS运行的传统VC。例如,在迪拜(代表热带沙漠气候)中,使用混合膜 - 干燥剂系统可以将能量消耗降低多达30%,相对于标准VCS多达30%。在拉斯维加斯(亚热带干旱气候)中,湿度较低,基于干燥剂的系统(没有膜)是最有效的选择,可能还降低了30%的减少。在纽约(亚热带潮湿的气候),所有的设计都看起来很好,但基于干燥剂的系统最好,整体能耗降低了70%。在新加坡(热带海洋气候),干燥剂系​​统和组合的膜 - 干燥剂系统同样良好,潜在节省多达40% - 鉴于两种选择的成本,即干燥的单独系统出现作为顶级选择。

在一起,研究人员的调查结果为实现了两种关键消息,以实现全球更高效的室内冷却。首先,使用膜和干燥剂可以推动空调效率,但是当这种技术被融入精心设计和集成系统时,实际性能增益。其次,当地气候和资源的可用性 - 能源和水 - 在决定空调系统将在世界特定地区提供最佳表现时,可以考虑的关键因素。


笔记

该研究得到了国家研究基金会 - 新加坡在其校园下进行了研究卓越和技术企业计划。环境传感和建模中心是新加坡 - 麻省理工学院联盟进行研究和技术的跨学科研究组。进一步的信息可以在:

O. Labban,T. Chen,A.F. Ghoniem,J.H.Lienhard v和L.K.诺福德。“下一代HVAC:干燥剂和基于膜的除湿和冷却的前景和局限。”应用能量2017年第330-346页,第200节。


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记者调查:miteimedia@mit.edu.