Power Shift — это продолжающаяся серия Gizmodo Эллин Лапойнт, в которой исследуются достижения в области экологически чистых технологий с упором на возобновляемые источники энергии, модернизацию энергосетей и сокращение выбросов.
Поскольку выбросы углекислого газа поднимают среднюю температуру на Земле до новых высот и вызывают беспрецедентные волны тепла, зависимость человечества от кондиционирования воздуха растет. Проблема в том, что переменный ток потребляет огромное количество энергии и – из-за продолжающейся зависимости мира от ископаемого топлива – выделяет много углерода.
Преодоление этой петли обратной связи представляет собой серьезную инженерную задачу, которая становится все более актуальной по мере потепления мира. Введите пассивное охлаждение: немеханические подходы к снижению температуры в помещении.
Это, конечно, не новая концепция. Пассивное охлаждение основано на архитектурных методах, которые веками использовались в более жарких регионах, хотя ученые совершенствуют эти методы с помощью современных материалов и технологий. Некоторые из них добились впечатляющих успехов за последние годы, но каждая стратегия имеет свои преимущества, компромиссы и ограничения.
В обзоре, опубликованном ранее в этом месяце в журнале Nature Reviews Clean Technology, исследователи оценили достижения в различных методах пассивного охлаждения на разных стадиях разработки и внедрения. Они обнаружили, что передовые технологии пассивного охлаждения могут снизить пиковую температуру в городах до 6,75 градусов по Фаренгейту (4,5 градусов по Цельсию), значительно снижая потребность в механическом охлаждении.
«Без вмешательства спрос на охлаждение, по прогнозам, станет одним из самых быстрорастущих видов энергопотребления в мире», — сообщил Gizmodo по электронной почте соавтор Маттаиос Сантамоурис, выдающийся профессор высокопроизводительной архитектуры в Университете Нового Южного Уэльса. «В нашем обзоре утверждается, что пассивное охлаждение следует рассматривать как первый уровень защиты, значительно снижающий нагрузку на охлаждение до того, как потребуются механические системы».
Кондиционер в горячем сиденье
По словам Сантамуриса и его соавторов, на охлаждение в настоящее время приходится почти 10% мирового потребления электроэнергии, а к 2050 году количество электроэнергии, необходимой для охлаждения зданий во всем мире, по прогнозам, увеличится на 210% по сравнению с уровнем 2024 года, а выбросы парниковых газов от кондиционирования воздуха утроятся за тот же период.
«Само по себе пассивное охлаждение не решит проблему изменения климата, но оно может внести существенный вклад как в смягчение последствий изменения климата, так и в адаптацию к ним», — сказал он. Более того, масштабирование этого подхода может обеспечить более справедливый доступ к охлаждению, поскольку стоимость кондиционирования воздуха часто оказывается неподъемной для населения с низкими доходами, которое особенно уязвимо к сильной жаре.
Исследователи оценили достижения в области интеллектуального контроля солнечной энергии, вентиляции, радиационного охлаждения, испарительного охлаждения и гибридных систем. Первая направлена на уменьшение количества солнечного тепла, поступающего в здание. Сегодня этот подход опирается на передовые системы затенения, отражающие поверхности, оконное стекло, которое блокирует определенные виды солнечного излучения, и умные материалы, которые меняют цвет в зависимости от колебаний температуры, чтобы контролировать количество тепла, которое они поглощают. По словам Сантамуриса, основными препятствиями для масштабирования этого подхода являются более высокие первоначальные затраты, ограниченная осведомленность и медленные темпы ремонта существующих зданий.
Вентиляция использует наружный воздух для отвода тепла из помещения. Традиционно он опирается на силу ветра и плавучести, но новые подходы сочетают в себе интеллектуальное управление и персонализированные системы вентиляции, пояснил Сантамоурис. Однако «его главное ограничение заключается в том, что оно сильно зависит от внешних условий», — сказал он. «Во время периодов жары, когда наружный воздух также горячий, потенциал охлаждения значительно снижается».
Радиационное охлаждение работает путем излучения тепла от поверхностей зданий в пространство. В нем используются строительные материалы, которые отражают большую часть поступающего солнечного света, эффективно излучая тепло в виде инфракрасного излучения через «атмосферное окно», которое позволяет этому излучению проходить сквозь него, не блокируясь и не поглощаясь газами. По словам Сантамуриса, ранее радиационное охлаждение было ограничено использованием в ночное время, но недавние достижения в области наноматериалов сделали это возможным и в дневное время. Тем не менее, высокоэффективные материалы еще не производятся в масштабах, необходимых для массового внедрения.
Испарительное охлаждение использует охлаждающий эффект испарения воды. Существует несколько типов систем испарительного охлаждения, но прямое испарительное охлаждение, при котором воздух перемещается через пропитанные водой подушки, чаще всего используется в жилых помещениях. Хотя он может быть очень эффективным и требует очень мало энергии, он становится менее эффективным во влажных условиях, объяснил Сантамоурис.
Наконец, гибридные системы объединяют несколько механизмов охлаждения для максимизации производительности в различных климатических условиях. «Эти системы особенно многообещающи, поскольку они могут преодолеть некоторые недостатки отдельных технологий», — сказал Сантамоурис. Например, радиационно-испарительные системы могут быть более устойчивыми к влажности, чем чисто испарительные системы. «Проблема заключается в сложности, стоимости и необходимости дальнейших крупномасштабных демонстрационных проектов», — добавил он.
Будущее охлаждения
По мере повышения температуры и уровня влажности передовые технологии контроля солнечной активности и системы радиационного охлаждения, вероятно, станут доминирующими стратегиями пассивного охлаждения в дополнение к гибридным системам. Эти климатические изменения усугубят ограничения испарительного охлаждения и вентиляции, хотя они все еще могут оказаться эффективными в более прохладных и засушливых частях мира.
Но самый большой барьер на пути расширения пассивного охлаждения не технический, говорит Сантамоурис. Большинство из этих технологий уже существуют и апробированы, но интеграция их в основную строительную практику, правила, механизмы финансирования и городское планирование является серьезной проблемой, пояснил он.
Судя по результатам его обзора, преимущества могут стоить затраченных усилий. В зависимости от местного климата, типа здания и применяемых технологий охлаждения пассивные меры могут значительно снизить потребность в энергии для охлаждения — в некоторых случаях более чем наполовину. «При масштабном развертывании в городах это приводит к значительному сокращению потребления электроэнергии, пикового спроса и связанных с этим выбросов парниковых газов», — сказал Сантамоурис.
Тем не менее, чтобы добраться туда, потребуется много времени. Между тем, «мы могли бы многое сделать с помощью очень простых технологий, чего мы не делаем», — рассказала Gizmodo Александра Ремпель, доцент кафедры экологического дизайна в Университете Орегона. Она утверждает, что, хотя передовые технологии пассивного охлаждения интересны, существует множество эффективных стратегий, которые легко доступны.
По словам Ремпеля, затенение окон, выходящих на восток, утром и окон, выходящих на запад, во второй половине дня может иметь существенное значение. Наружное затенение окон особенно эффективно, поскольку оно блокирует солнечное тепло до того, как оно попадет в дом. Ее исследовательская группа даже разрабатывает приложение, которое отслеживает условия в помещении и сообщает пользователям, когда пора затенять окна.
«Интеграция пассивного охлаждения с системами умного дома уже не за горами», — сказал Ремпель.
Она также подчеркнула использование низкотехнологичных, неэнергоемких стратегий воздушного потока. «Я большой поклонник фанатов», — сказал Ремпель. Хотя на самом деле они не снижают температуру воздуха, они заставляют людей чувствовать себя прохладнее, способствуя испарению пота с кожи. Более того, их использование в ночное время может эффективно циркулировать прохладный воздух по всему дому.
Хотя неизбежно, что спрос на кондиционирование воздуха будет продолжать расти по мере потепления мира, более широкое внедрение пассивного охлаждения может значительно снизить этот рост, снизить спрос на электроэнергию, уменьшить выбросы, уменьшить нагрузку на энергосистему и сделать охлаждение более справедливым. «Цель состоит не в том, чтобы отказаться от кондиционирования воздуха, а в том, чтобы мы не становились полностью зависимыми от него», — сказал Сантамоурис. «Как мы отмечаем в обзоре, мы не можем использовать кондиционирование воздуха, чтобы избежать изменения климата».
