hogyan határozza meg a Tech A légkondicionálás jövőjét?

ahogy bolygónk felmelegszik, úgy növekszik a hűtési technológia iránti igény is. Az űrhűtés energiafelhasználása 2050-re több mint háromszorosára nő a Nemzetközi Energiaügynökség 2018-as jelentése szerint. De a légkondicionáló egységek Power hogs-a világ villamosenergia — fogyasztásának mintegy 10% – át teszik ki -, és olyan hidrogén-fluorozott szénhidrogén hűtőközeget tartalmaznak, amely erősebb üvegházhatású gáz, mint a szén-dioxid.

“ez egy ördögi kör” – mondja shelie Miller környezetvédelmi mérnök, a Michigani Egyetem Környezetvédelmi Programjának igazgatója. “Melegebb lesz, ezért bekapcsoljuk a légkondicionálóinkat, amelyek több energiát fogyasztanak. Ha több energiát használunk, több üvegházhatású gáz szabadul fel, ami még melegebbé válik.”

hogyan kezeljük ezt a konfliktust? Ez egy olyan probléma, amelyet a tudósok és a mérnökök kifinomultabb, energiahatékonyabb hűtési technológiák kifejlesztésével próbálnak megoldani.

a légkondicionálás fogalma évszázadokra nyúlik vissza.

“a HVAC (fűtés, szellőzés és légkondicionálás) technológia továbbfejlesztése folyamatosan javítja a hűtési szolgáltatások hatékonyságát, és az üvegházhatást okozó gázok kibocsátását csökkentő megújuló energiaforrásokra való áttérés csökkentheti az általános hatást” – mondja Miller. “A történelem során az emberek innovatív módszereket találtak ki az épületek hűtésére energiaigényes légkondicionálás használata nélkül.”

a légkondicionálás fogalma évszázadokra nyúlik vissza. Az ókori perzsa mérnökök “badgireket” építettek, amelyek szélfogók, amelyek hűvös szellőt vezetnek le a házakig, és “yakhch KB”, kúpos szerkezetek, amelyeket jég készítésére használtak, amelyek a sivatag egyik első hűtőszekrényei voltak.

1820-ban Michael Faraday feltaláló felfedezte, hogy az ammónia összenyomása és cseppfolyósítása, majd az elpárologtatása hűtheti a levegőt. 1902-ben Willis Carrier mérnök egy olyan berendezést tervezett A New York-i Sackett & Wilhelms litográfiai és nyomda számára, amely sűrített ammóniával hűtött tekercseken keringtette a levegőt a páratartalom szabályozására színes nyomtatás esetén. Carrier végül a világ első elektromos légkondicionálójává változtatta tervét, amely 1925-ben debütált Times Square ‘ s Rivoli Színház, beharangozva a nyári kasszasiker filmek megtekintésének napjait légkondicionált színházakban.

a légkondicionálók luxusnak számítottak, amikor először bevezették a fogyasztókat, de a levegő páratartalmának eltávolítása és a levegő hőmérsékletének csökkentése meleg körülmények között gyorsan szükségessé tette őket forró éghajlaton. A háború utáni hatalmas migráció Amerika Napöv államaiba lehetetlen lett volna a légkondicionálás elterjedése nélkül, csakúgy, mint az olyan trópusi városok növekedése, mint Hongkong és Szingapúr. (Lee Kuan Yew, Szingapúr alapító atyja a légkondicionálást a 20.század legfontosabb találmányának nevezte.)

a hűvösebb levegő létfontosságú a termékek friss állapotban tartásához, a gyógyszerek és vakcinák megőrzéséhez, valamint az internetet működtető adatközpontok lehűtéséhez. A hűvös tartás fontosnak bizonyult az egészség, a jólét és a termelékenység növelése szempontjából. Ma a kutatók és a startupok energiahatékonyabb forrásokat használnak fel, hogy megteremtsék azt a hűvösséget, amelyre vágyunk — az alakváltó fémötvözetektől a megújuló energiáig és az ég hidegéig.

a németországi Saarland Egyetem kutatócsoportja alak-memória ötvözetek kifejlesztésével kiküszöböli a hűtőközegek szükségességét. A nikkel-titán huzal vagy lemez deformálása vagy húzása stresszt okoz az ötvözet számára, és növeli annak hőmérsékletét. Amikor az anyagot visszaállítják eredeti formájába, körülbelül 20 fokkal lehűl a környezeti hőmérséklet alá.

“az alapötlet az volt, hogy eltávolítsuk a hőt a térből — mint például a hűtőszekrény belsejéből — azáltal, hogy lehetővé tesszük az előfeszített, szuper rugalmas alakú memória anyagának ellazulását és ezáltal jelentős lehűlését”-magyarázta Stefan Seelecke, a Saarland Egyetem intelligens anyagrendszerek professzora, amikor a projektet bejelentették.

a csapat létrehozott egy prototípust, egy szabadalom alatt álló bütykös meghajtót, amely egy alakmemória-vezetékek forgó kötege, amelyet a hűtőteljesítmény erősítésére használnak. A készülék hőszivattyúként, légkondicionálóként vagy akár hűtőszekrényként is működhet, mindezt környezeti szempontból káros hűtőközegek nélkül. A Német Kutatási Alapítvány 2016 óta finanszírozza a projektet, az Európai Bizottság és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma ígéretes alternatív technológiának tartja a meglévő gőzkompressziós hűtőrendszereket.

a clean-tech startup Blue Frontier számára a megújuló energia kulcsfontosságú a hatékonyabb hűtőrendszerhez. A vállalat 2013-ban indult Floridában Be Power Tech néven, amely kifejlesztett egy légkondicionálót, amely földgáz üzemanyagcellával saját villamos energiát termelt. Daniel Betts vezérigazgató azonban úgy találta, hogy a technológia piaca a földgázzal működő épületekre korlátozódik, az üzemanyagcellák pedig túl drágák voltak a korai piaci bevezetéshez.

Betts ezután együttműködött a Nemzeti megújuló energia laboratórium mérnökeivel a rendszer újratervezése érdekében. Az eredmény egy termokémiai lítium-klorid energiatárolóval ellátott légkondicionáló volt, amely nagy koncentrációjú sóoldatot tárol és kémiai energiává alakítja későbbi felhasználás céljából. “A napenergia-termelés egész reggel növekszik, és kora délután kezdődik” – mondja Betts. “Az épületek elektromos terhelése általában kora-késő délután tetőzik, ami a termelés és a fogyasztás közötti eltéréshez vezet.”A Blue Frontier légkondicionálója fel van szerelve a hűtési energia tárolására, így csak a maximális napenergia-termelés során használja fel az áramot. “Technológiánkkal-mondja Betts-csak akkor tudunk villamos energiát fogyasztani, ha nincs hálózati torlódás, és ha a megújuló energia nagyobb része a villamosenergia-összetételnek.”

eközben a kaliforniai SkyCool Systems az éjszakai égbolt felé fordult hűtési technológiájáért. A 2016-ban alapított startup a Stanford Egyetemen indult, és azóta 990 000 dollárt gyűjtött az egyetem StartX alapja és az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának fejlett kutatási projektek Ügynöksége által nyújtott támogatásokból.

ahhoz, hogy megértsük, hogyan működik a SkyCool Systems hűtési technológiája, fontolja meg az éjszakai ég felé néző anyagokat. “Ha felnéz az égre, természetes módon bocsátja ki a hőjét, úgynevezett hősugárzásként”-mondja aaswath Raman tudós és társalapító. “Amikor ez a hősugárzás az égre kerül, annak egy része az űrbe kerül. Emiatt minden éjszaka az ég felé néző felület természetesen lehűl a levegő hőmérséklete alá.”

ennek a természeti jelenségnek a nap folyamán történő utánzása nehezebbnek bizonyul. “A nap természetesen bármilyen anyagot felmelegít — elegendő ahhoz, hogy ellensúlyozza ezt a hűtési hatást” – mondja Raman. “Olyan anyagra van szükségünk, amely nagyon jól tükrözi a napfényt, de továbbra is hőt bocsát ki. Ha ez a két dolog együtt van, akkor a nap folyamán is engedélyezheti ezt a hatást. Ez kényszerítővé válik, mert akkor hozzáférhet a szabad passzív hűtéshez a nap közepén, amikor a leginkább hűtésre van szükségünk.”

“a cél energiamegtakarítás és a kereslet csökkentése 10-30% között lehet.”

a SkyCool Systems ezüst paneleket fejlesztett ki, amelyek úgy néznek ki, mint a napelemek, de ehelyett egy optikai film borítja őket, amely a hőt közepes infravörös hullámhossz-tartományba alakítja át, hogy átcsússzon a légkörön, és az űrbe kerüljön, miközben a napfényt is visszaveri. A vállalat paneljeit jelenleg öt helyszínen telepítik, köztük egy irodaépületben és egy kisboltban, és integrálva vannak a meglévő hűtőrendszerekkel, például hűtőkkel, fagyasztókkal, jéggépekkel és légkondicionáló rendszerekkel.

Eli Goldstein mérnök és társalapítója szerint a SkyCool Systems hűtőpaneleinek előnyei háromszorosak. “Az egyik az energiamegtakarítás, a másik a kereslet csökkentése, a harmadik pedig a rendszer hűtési kapacitásának növelése” – mondja. “Az energiamegtakarítás és a kereslet csökkentése 10-30% között lehet.”

ezenkívül a hűtőmechanizmus nem igényel energiát vagy vizet. “Hatékonyan passzív a hűtés formájában, így nem használ energiát és vizet” – mondja Goldstein. “Nincs párolgási vízveszteség ennek a hűtésnek a létrehozásához, tehát ez egy sokkal fenntarthatóbb megközelítés.”

ezek a hűtési technológiák nem nélkülözik a kihívásokat. A SkyCool Systems a lehető leggyorsabban igyekszik lépést tartani a piaci kereslettel, és bár a Blue Frontier technológiáját számos prototípus bizonyította, a vállalatnak még mindig tömegtermelést és terepi kísérleteket kell létrehoznia.

lehet, hogy még nem értek el széles körű elfogadást, de ezek az újítások előkészítik az utat egy hűvösebb és energiahatékonyabb jövő felé. A Blue Frontier azt tervezi, hogy a “légkondicionáló mint szolgáltatás” modell felé halad, míg a SkyCool Systems azt tervezi, hogy a légkondicionáló rendszereket felváltja a panelekkel.

“a hűtés fontos a mindennapi életünkben” – mondja Goldstein. “Együtt kell működnünk, hogy hatékonyabb rendszereket hozzunk létre, és fenntartható módon működtessük őket.”