Новая технология охлаждения помещений без электричества

Новое устройство основано на пассивных явлениях, таких как капиллярность или испарение, а не на насосах и компрессорах, которые расходуют электроэнергию и требуют технического обслуживания

Охлаждение и обогрев помещений относятся к обычным потребностям населения городов и сёл по всему миру. В настоящее время потребление энергии для кондиционирования воздуха растет, и в свете надвигающегося повышения температуры окружающей среды в разных регионах планеты ближайшее будущее может показать обострение спроса на энергетические ресурсы.

Сейчас задача охлаждения зданий, особенно в летний сезон, осуществляется ставшими популярными кондиционерами, использующими хладагенты и имеющими высокий уровнь негативного воздействия на окружающую среду, и, кроме этого, расходующими значительное количество электроэнергии. Поэтому возникает вопрос: можно ли снизить потребление энергии в процессе охлаждения зданий?

В новой работе, опубликованной в Science Advances [1], исследовательская группа из Политехнического университета Турина (SMaLL) и Национального института метрологических исследований (INRiM) предлагает устройство, способное генерировать охлаждающую нагрузку без использования электричества.

Как и традиционные охлаждающие устройства, эта новая технология также использует испарение жидкости. Однако, ключевая идея, предложенная исследователями, заключается в использовании простой воды и поваренной соли вместо сложных химических веществ, использующихся в качестве хладагентов, способных наносить вред окружающей среде. Кроме этого, новое устройство основано на пассивных явлениях, таких как капиллярность или испарение, а не на насосах и компрессорах, которые расходуют электроэнергию и требуют технического обслуживания.

Рис. Компоновка, схема и принцип работы пассивного охлаждающего устройства. (A) Принцип работы обычного охладителя с соленой водой. Разница солености между двумя входными растворами создает поток пара от испаряющегося (Yᴇ) к конденсирующемуся (Yᴄ) слою. Эти процессы испарения-конденсации за несколько этапов позволяют поглощать тепло из низкотемпературной камеры и переносить его в высокотемпературную внешнюю среду. Этот процесс приводит к образованию побочного продукта, представленного в виде выходящего потока жидкости с отличающейся соленостью (Y*) раствора от имеющейся на входе Yᴄ. (B) Схематическое расположение четырехступенчатого модульного пассивного охладителя. (C) Принцип работы одной ступени пассивного охладителя: два раствора с различной соленостью отделены друг от друга гидрофобной мембраной. Разница в концентрации соли создает градиент активности (зеленый треугольник), который приводит к образованию потока пара. Энтальпия испарения устанавливает градиент температуры между двумя растворами (красный треугольник), противоположному градиенту активности. (D) Графическое представление сборки одной ступени охлаждающего устройства. Пластиковая рамка (2, красная) содержит полость, образующую конденсатор, закрытый алюминиевой крышкой (1, серая) и гидрофобной мембраной (3, коричневая). Гидрофильный слой (4, желтый), имеющий функцию испарителя, помещён между мембраной и другой алюминиевой пластиной. Предоставлено: Science Advances

В то время как поток водяного пара движется от одного конца мембраны к другому, дистиллированная вода охлаждается, и этот эффект еще более усиливается благодаря наличию нескольких ступеней испарения.

«Понятно, что концентрация соленой воды будет постепенно уменьшаться, и эффект охлаждения со временем тоже становиться меньше. Однако, разница в солености может непрерывно восстанавливаться с использованием солнечной энергии, что уже продемонстрировано в другом недавнем исследовании [2] нашей группы», - объясняет ведущий автор работы.

Интересная особенность предлагаемого устройства состоит в его модульной конструкции, состоящей из охлаждающих блоков толщиной в несколько сантиметров каждый, которые могут быть последовательно соединены друг с другом для увеличения эффекта охлаждения, как это происходит с обычными батареями.

Это дает возможность точной настройки мощности охлаждения в соответствии с индивидуальными потребностями пользователя, в том числе достигать уровня холодопроизводительности, необходимой для домашнего использования.

Кроме того, вода и соль не требуют насосов или другого вспомогательного оборудования для транспортировки рабочей среды внутри устройства. Напротив, благодаря капиллярным свойствам некоторых компонентов, способных поглощать и транспортировать воду, движение происходит самопроизвольно.

Беря во внимание простоту изготовления устройства и доступность необходимых для этого материалов, можно обеспечить относительно недорогую стоимость производства, порядка нескольких евро для каждой стадии охлаждения. Оно может быть идеальным для использования в сельской местности, где возможное отсутствие хорошо обученных технических специалистов может затруднить эксплуатацию и техническое обслуживание традиционных систем охлаждения.

Интерес к технологии может возникнуть в регионах с высоким уровнем доступа к воде, имеющей высокую концентрацию солевого раствора, таких как прибрежные районы вблизи крупных опреснительных установок, близлежащих соляных болот или соляных шахт.

На данный момент технология еще не готова к немедленной коммерческой эксплуатации. В перспективе ее можно использовать в сочетании с существующими и более традиционными системами охлаждения для эффективной реализации задач энергосбережения.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1126/sciadv.aax5015

2. https://doi.org/10.1038/s41893-018-0186-x

Источник: EurekAlert