新空调技术借助光能冷却室温

美国的一所高中安装了世界上最大的太阳能空调。来源:固体

在缅甸图瓦的蓝宝石酒店，客人们喝着凉爽的椰子汁，在炎热潮湿的夜晚享受空调的舒适。苏丹首都喀土穆位于西部7000公里处，被炎热的沙漠所包围。在这个干燥的城市，病人在联邦医院舒适地休息。

无论是这些酒店还是联邦医院，为人们提供舒适环境的空调装置都依赖于深色玻璃管，这种玻璃管可以在一定程度上将阳光转化为冷量。这些玻璃管不是人们熟悉的收集光线和发电的太阳能电池板。相反，通过巧妙的热力学原理，他们可以达到利用阳光热量给建筑物降温的效果。

利用太阳能制冷

研究人员和一些能源专家表示，这种被称为太阳能热能的制冷模式，可以有效缓解全球空调运行日益增长的能源需求:联合国*间气候变化专门委员会(IPCC)预测，到2100年，全球制冷用电需求将突然增加到2000年的30倍。

研究人员表示，太阳能热技术有望成为一个转折点。目前，该系统在世界各地的酒店、购物中心和其他建筑中的使用率正在逐步提高。目前，已安装和使用了近1200套设备，是过去十年总和的10倍。这也让研究团队非常自豪。

生产太阳能热冷却器的公司表示，与大多数建筑中使用的传统空调相比，这种装置根据设备的类型和尺寸减少30%-90%的电力消耗，研究人员目前正试图使该系统更高效、更便宜。

然而，这项技术也面临着巨大的障碍，一些专家猜测，全球市场对这项技术的需求永远不会超过每年1亿台新的传统空调，这些空调主要依靠使用电能制冷的压缩机。法国佩皮尼昂的Tecsol太阳能热能公司的工程师Daniel Mugnier说，太阳能热能冷却器的价格通常是传统空调的五倍。虽然价格已经在下降，但缺乏技术研究和开发的补贴和投资，使其更具竞争力。

穆涅尔补充说，这是令人遗憾的，因为热能系统有许多优势。它对输电网络的峰值需求较低，可以减少停电次数，安静运行，并使用环保制冷剂——这是一个关键点，因为去年10月，170多个国家同意逐步淘汰大多数空调和冰箱中使用的氢氟碳化合物。此外，太阳能热适用于制冷需求巨大的地方。英国伦敦帝国理工学院太阳能研究员克里斯特斯·马基德斯说:“这就像是在天堂举行的婚礼。”

作用机理

空调的关键是蒸发:当液体从周围环境吸收热量并蒸发成气体时，就会冷却。

在现代电动空调中，液态制冷剂*通过一个小喷嘴进入一个更大的机柜。在这个过程中，压力变化很大，所以制冷剂迅速蒸发，带走室内热量。气态制冷剂然后进入另一个机柜，在那里电动机械压缩机挤压气体以进一步提高其温度。之后，气态制冷剂通过冷凝器变成液体，并向外散热。液态制冷剂再次从喷嘴喷出，并继续循环。

气体压缩阶段是必要的，因为它可以有效地将热量散发到外部。新加坡艺康的联合创始人科林·贾说，制冷剂在进入冷凝器之前必须非常热。该公司为蓝宝石酒店开发了太阳能空调。在电气装置中，这个过程是机械完成的，但是还有另一种方法——利用太阳能。

1878年，巴黎世博会上展出的最古老的空调使用木材燃烧来增加制冷剂的热量。奥地利大型太阳能制冷系统专业公司SOLID的首席执行官克里斯蒂安·霍尔特(Christian Holter)提到，这是一台“令人难以置信的老式机器”。被称为吸收式冰箱的新设备利用太阳的热量来加热制冷剂，然后气态制冷剂通过压缩机。其气化过程也类似于传统空调。

霍尔特表示，传统压缩机占据市场主导地位，因为它“非常容易购买和使用”。然而，早在20世纪80年代，制冷剂引起的臭氧空洞问题就引起了人们越来越多的关注。当时，人们发现氟利昂和其他产品会与臭氧发生反应，导致臭氧分解，从而导致臭氧消耗。因此，《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》于1989年生效，承诺通过逐步减少氟利昂和其他产品的使用来保护臭氧层。

然而，使用太阳能不会引起这些问题。在现代太阳能空调中，特殊的管道或面板可以吸收太阳能，然后将其转化为吸收式制冷机所需的热量。迄今为止，固特异已在10个国家的学校、办公室和仓库等18个地点安装了大型太阳能空调系统。其中之一也是世界上最大的太阳能空调系统。它于2014年开始在亚利桑那州的一所高中运行，每年为学校节省大量电力。

另一种方式

此外，学术界和企业也在努力从其他方面提高冷却效率。大多数吸收式制冷机将制冷剂加热到大约80摄氏度。如果温度可以升高到120-170摄氏度，更多的制冷剂将同时以气态形式在系统中蒸发和循环，从而使制冷效率更高。

这意味着太阳能收集器必须更有效地集中太阳能。一些专业收藏家可以在太阳后“行走”，温度可以达到400摄氏度，但价格也非常昂贵。为了开发更便宜的替代品，加州大学默塞德分校的工程师罗兰·温斯顿(Roland Winston)正带领一个团队修改集气管设计。该团队开发的新管道包含一种特殊的金属片，可以将热量快速传递给铜管中的液态乙二醇。

温斯顿的团队还在管道外放置了弯曲的反射材料，以帮助更有效地收集太阳能。该系统可以将乙二醇加热到200摄氏度，并且已经在不同的冷却设备中进行了测试。

一些团队也放弃了吸收式制冷设备，建立了全新的系统。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的斯蒂芬·怀特团队开发了一种干燥剂转轮系统，将于2016年6月在巴拉特市的一个购物中心使用。

首先，周围的空气通过一个缓慢移动的*，*中含有吸收水分的物质。之后，又热又干的空气进入橱柜，导致水分蒸发，从而降低温度。这些冷却的潮湿空气将通过不同的管道来降低室内温度。这些气体然后被排放到外面，太阳能被用来干燥车轮中的吸湿材料。

堪培拉太阳能公司的私人顾问迈克·丹尼斯说，这种新方法比吸收式制冷机更便宜、更简单。它可以更容易地使用光伏板将太阳能转换成电能，然后驱动空调压缩机。然而，太阳能电池板价格的下降使得这种系统越来越有吸引力。

很容易获得经济规模和*补贴和投资。太阳能光伏板在不断发展，但太阳能热技术不具备这些优势。穆涅尔说，“我担心不公平竞争。”

另一种方法是制造一种“混合物”:一种允许传统电动压缩机利用太阳能来帮助“狂饮”能量的压缩机。Ecoline的蓝宝石酒店空调系统就是一个很好的例子。

为了制造这个系统，Chia在每个太阳能收集管中插入一个U形铜环，然后将铜管连接成一个长条形。管中的乙二醇可以快速将热量从管中传递到乙二醇池，以加热制冷剂。然后，制冷剂通过压缩机，因为温度已经很高，所以它们可以更容易地转换成气体。

该公司在6个国家安装了1000多台空调。Ecoline表示，在平行实验中，与普通高效空调相比，新系统可以节省35%的能源。尽管安装成本比目前新加坡的电价高15%，但它可以在2年内弥补这一损失。

支持者认为，如果太阳能热技术市场继续扩大，成本将大幅降低。温斯顿的博士后伦江提到，在20世纪90年代，太阳能热水器中使用的真空管每米超过100美元，但由于需求驱动的大规模生产，它们现在只需要2到3美元。

Chia说，无论如何，这些方法使太阳能热技术越来越好。“越热越好。”他说。(唐毅宸编译)