初創(chuàng)公司研發(fā)干燥劑，極端高溫和濕度之下也能減少電網(wǎng)壓力

一組令人驚訝的材料可能很快有助于制造更高效的空調(diào)，在炎熱的日子里也不會給電網(wǎng)帶來負(fù)擔(dān)。

(資料圖片僅供參考)

隨著全球極端高溫不斷打破紀(jì)錄，未來幾十年空調(diào)的電力需求預(yù)計(jì)將增加兩倍。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，2016 年至 2050 年間，該數(shù)字將增加約 4000 太瓦時，與 2022 年整個美國電網(wǎng)的電力需求大致相同。

這就是為什么發(fā)明更高效空調(diào)的競賽變得越來越緊迫。雖然一些公司專注于改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)，但其他公司則在探索使用一種名為“干燥劑”材料的全新系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以更有效地冷卻，即使在極端高溫和濕度下，也可以減少電網(wǎng)上的壓力。

典型的空調(diào)通過循環(huán)泵送制冷劑并通過熱交換器來冷卻室內(nèi)空間，吸收室內(nèi)空氣中的熱量并將其釋放到室外。熱泵的工作方式相同，要么運(yùn)行方向相反，要么在既能加熱又能冷卻的可逆系統(tǒng)中運(yùn)行。

非營利性能源智庫落基山研究所的無碳建筑項(xiàng)目經(jīng)理安基特·卡蘭基（Ankit Kalanki）說，這種被稱為蒸汽壓縮的方法已經(jīng)有 100 多年的歷史了，自發(fā)明以來，其基本設(shè)計(jì)沒有太大變化。泵送制冷劑并將其壓縮到足以將熱量輸送到室外需要大量能量，尤其是在溫度很高時。

（來源：AI 生成）

蒸汽壓縮系統(tǒng)還要同時處理濕度和熱量，這是另一個缺點(diǎn)。卡蘭基說，保持室內(nèi)的舒適與保持低濕度環(huán)境有很大關(guān)系，但空調(diào)必須冷卻空氣才能將濕氣排出。他說，如果沒有設(shè)計(jì)好的濕度控制系統(tǒng)，建筑物往往會“過冷”，這會成為巨大的能源負(fù)擔(dān)。

分別處理除濕和制冷的系統(tǒng)可以用更少的能源保持建筑內(nèi)部溫度舒適，并在不同的環(huán)境中具備更大的靈活性。越來越多的創(chuàng)業(yè)公司正尋求使用干燥劑來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

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干燥劑是吸收水分的材料，常見于新錢包和鞋子的包裝盒里，一個小袋子裝著二氧化硅珠，旨在使產(chǎn)品在運(yùn)往世界各地時保持干燥。

其他類型的干燥劑可以添加到現(xiàn)有的空調(diào)設(shè)計(jì)中，從空氣中吸收水分，并減少保持房間舒適所需的能源。2018 年，麻省理工學(xué)院（MIT）團(tuán)隊(duì)成立了公司 Transaera，它正在開發(fā)一種混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一種名為金屬有機(jī)框架的材料。Transaera 的 CEO 索音·格拉瑪（Sorin Grama）表示，將這些材料添加到基于蒸汽壓縮的空調(diào)中，可以使該公司的系統(tǒng)比普通空調(diào)少消耗 35% 的能源。

但其他公司正在尋求在冷卻系統(tǒng)中使用干燥劑，以完全取代傳統(tǒng)的空調(diào)。例如，總部位于美國佛羅里達(dá)州的初創(chuàng)公司 Blue Frontier 正在使用液體干燥劑打造冷卻系統(tǒng)。該公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官馬特·蒂爾曼（Matt Tilghman）說，我們使用的材料的關(guān)鍵成分與普通干燥劑里面的硅膠珠不同，但這種比較是常見的?！拔覀兘?jīng)?？吹竭@種比較，”他說。

Blue Frontier 的冷卻技術(shù)依賴于濃度極高的鹽溶液，而不是小的二氧化硅珠。鹽溶液可以從空氣中吸收水分。

以下是 Blue Frontier 的冷卻系統(tǒng)的工作原理：首先，一股氣流穿過一條通道，經(jīng)過一層薄薄的干燥劑，將空氣中的水分排出。接下來，已經(jīng)干燥的空氣經(jīng)過一個蒸發(fā)冷卻步驟，從而降低空氣溫度（基本上與汗液冷卻皮膚的方式相同）。

在蒸發(fā)冷卻步驟中，空氣被分成兩股流。一股空氣穿過一層薄薄的水，這層水可以吸收能量并降低空氣溫度。這種較冷、潮濕的空氣被用來冷卻金屬表面，而金屬表面又從另一股仍然干燥的空氣中吸收熱量。潮濕的空氣在外面，涼爽干燥的空氣被吹進(jìn)大樓。

蒸發(fā)是一種有效的冷卻方法，用于低成本的空氣冷卻器（也稱為沼氣冷卻器或蒸發(fā)冷卻器），它可以比普通空調(diào)少用 80% 的電。這些設(shè)備通常會向空氣中添加水分來冷卻空氣，只有在干燥的空氣中才能工作，因此它們的使用通常僅限于干燥的環(huán)境，如美國西南部。

蒂爾曼說，通過將蒸發(fā)冷卻與干燥劑相結(jié)合，Blue Frontier 的系統(tǒng)幾乎可以在任何氣候下工作。它的運(yùn)作方式可以進(jìn)行調(diào)整，以應(yīng)對天氣或恒溫器設(shè)置點(diǎn)的變化，改變冷卻和除濕之間的平衡，這可能有助于進(jìn)一步提高效率。蒂爾曼說，根據(jù)環(huán)境的不同，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，該公司的方法應(yīng)該能夠?qū)⒛暧秒娏繙p少 50% 至 80%。

如履薄冰

如今，液體干燥劑有時被用于對倉庫或工廠進(jìn)行除濕，這些倉庫或工廠需要嚴(yán)格控制空氣中的水分，例如制藥或電子制造業(yè)。但它們并沒有被廣泛用于冷卻，部分原因是它們價格昂貴。比如一種行業(yè)常見的材料氯化鋰，由于鋰離子電池的需求而受到價格上漲和供應(yīng)限制。這些材料也可能具有腐蝕性。蒂爾曼說，Blue Frontier 正在使用一種新的干燥劑來解決這些問題。

廣泛使用干燥劑冷卻的最大障礙之一是需要一種有效地重新填充材料的方法。干燥劑就像海綿，需要擰干或放一塊新的，因?yàn)樗鼈兡芪盏乃邢蕖?/p>

因此，除了干燥和冷卻空氣的部件外，干燥劑冷卻系統(tǒng)還需要一個可以再生干燥劑的部分，將水分釋放到另一股空氣中，然后再釋放到外面。

大多數(shù)干燥劑可以通過加熱再生，加熱會從材料中釋放水分，但這一步驟可能是能源密集型的，通常涉及使用化石燃料鍋爐系統(tǒng)。

Blue Frontier 使用熱泵來再生干燥劑。蒂爾曼說，熱泵增加了能源需求，但雖然冷卻系統(tǒng)可以在炎熱的夏日持續(xù)運(yùn)行，但再生系統(tǒng)可以在電網(wǎng)壓力較小、電價較低的晚上或夜間運(yùn)行。抵消再生消耗的能源，意味著 Blue Frontier 的系統(tǒng)可以幫助將峰值電力需求減少 80% 至 90%。

其他初創(chuàng)公司正在尋求完全擺脫對熱量的需求。總部位于美國波士頓的 Zephyr 公司希望使用膜過濾液體干燥劑中的水從而使其再生，類似于海水淡化設(shè)施中從水中提取鹽的過程。

Zephyr 在 7 月份展示了其系統(tǒng)的部件，并計(jì)劃在今年晚些時候組裝一個完整的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的冷卻系統(tǒng)原型。Zephyr 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官雅各布·米勒（Jacob Miller）表示，與目前市場上最好的蒸汽壓縮空調(diào)相比，其干燥劑冷卻設(shè)備的用電量可以減少約 45%。

蒂爾曼表示，Blue Frontier 有兩個演示用冷卻系統(tǒng)正在運(yùn)行，一個在佛羅里達(dá)州，一個位于加拿大、該公司計(jì)劃在 2023 年底和 2024 年再安裝幾十個。

蒂爾曼說，兩家初創(chuàng)公司都首先專注于大型商業(yè)建筑的系統(tǒng)，但最終這些系統(tǒng)可以適用于房屋甚至個人公寓。他補(bǔ)充道，Blue Frontier 的第一個系統(tǒng)一開始將比現(xiàn)有的空調(diào)更貴，盡管它們應(yīng)該能夠在三到五年內(nèi)通過節(jié)能降低的開銷來彌補(bǔ)。

獲得高效的冷卻技術(shù)對于幫助更多的人在安全而舒適的環(huán)境中生活和工作（而不會使電網(wǎng)過載）至關(guān)重要?？ㄌm基說：“如果你看看世界變暖，氣溫上升的程度，人們需要降溫的能力。這不僅僅是一個熱舒適或提高生產(chǎn)力的問題，它現(xiàn)在也是一個公平的問題。”

作者簡介：凱茜·克龍哈特（Casey Crownhart），是《麻省理工科技評論》的氣候記者，專注于可再生能源、交通以及技術(shù)如何應(yīng)對氣候變化。她還曾是一名自由科學(xué)和環(huán)境記者，為 Popular Science 和 Atlas Obscura 等媒體撰稿。在從事新聞工作之前，她是一名材料科學(xué)的研究員。

支持：Ren

責(zé)任編輯：Rex_31