空調(diào)之城

杜夏德

炎炎夏日，沒(méi)有什么比待在空調(diào)房里更讓人舒服了。無(wú)論是摩天寫(xiě)字樓、購(gòu)物商場(chǎng)、酒店、餐廳還是地鐵公交和汽車(chē)，凡是室內(nèi)有人待的地方，幾乎都被裝上了空調(diào)系統(tǒng)。當(dāng)我們享受著空調(diào)扇葉中送來(lái)的習(xí)習(xí)涼風(fēng)時(shí)，轟隆隆的空調(diào)外機(jī)正在向外排散股股熱風(fēng)。

空調(diào)不能憑空制冷， 而是將室內(nèi)的熱空氣排到室外，在往室內(nèi)送出冷風(fēng)的同時(shí)， 室外機(jī)也不斷送出熱風(fēng)。這一過(guò)程需要耗費(fèi)大量電力，這些用電猛如虎的機(jī)器也在消耗大量能源，發(fā)電過(guò)程中所排放的二氧化碳也會(huì)讓室外的氣溫越來(lái)越高。

世界氣候變得越來(lái)越熱，氣候記錄學(xué)家發(fā)現(xiàn)，根據(jù)歷史氣溫記錄，在17個(gè)最熱的年份中，有16個(gè)發(fā)生自2001年以后，也難怪全球人民對(duì)“空調(diào)續(xù)命”的需求也快沖破了天花頂。而讓我們?cè)诟邷叵吕m(xù)命的真正幕后英雄是被消耗的能源。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）稱(chēng)，從現(xiàn)在到2050年，這些空調(diào)消耗的能源將會(huì)翻上三倍。

難怪空調(diào)系統(tǒng)需要通過(guò)屋頂。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）說(shuō)，他們現(xiàn)在消耗的能源很可能到2050年上升三倍。這個(gè)數(shù)字有多大呢？換句話(huà)說(shuō)，到了2050年，全球空調(diào)的耗電量會(huì)相當(dāng)于美國(guó)、歐盟和日本這三個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家當(dāng)前的電用量總和。這可是世界上最發(fā)達(dá)的三個(gè)國(guó)家和地區(qū)啊。

來(lái)自國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的工作人員布萊恩·馬瑟維（Brian Motherway）提到，“我們注意到家庭和大樓中的空調(diào)制冷需求開(kāi)始迅速增長(zhǎng)?！边@不僅僅是因?yàn)闅鉁厣仙且驗(yàn)槭杖肷仙?，這些國(guó)家最有可能受到全球變暖的影響。未來(lái)30年內(nèi)，中國(guó)、印度和印度尼西亞的空調(diào)數(shù)量的預(yù)期增長(zhǎng)量將會(huì)占該地區(qū)的一半。

說(shuō)了這么多，本文當(dāng)然不是想讓大家放棄空調(diào)，回到電風(fēng)扇甚至手搖扇子的時(shí)代?？茖W(xué)家和科技公司正努力研發(fā)更加高效的冷卻系統(tǒng)。

能代替空調(diào)的“續(xù)命工具”

斯坦福大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種使用尖端材料和“納米光子學(xué)”的降溫系統(tǒng)，名為SkyCool Systems。他們發(fā)明了一種超薄的高反射材料，即使在陽(yáng)光直射下也能散發(fā)熱量，讓紅外線(xiàn)、熱能以一定的波長(zhǎng)通過(guò)地球大氣層滑入太空，而不是被這些材料吸收。

在試驗(yàn)中，研究人員將水管鋪在用這種材料做成的板子下面。水流經(jīng)水管時(shí)，這些板子能讓水降溫，平均冷卻到低于室外空氣溫度幾攝氏度。如此一來(lái)，這些水就可以用來(lái)冷卻建筑物。

最重要的是，在整個(gè)冷卻過(guò)程中，完全不需要消耗一度電。目前，研究人員已經(jīng)搭好了SkyCool Systems，正在試圖讓這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化，真正地走進(jìn)每棟高樓大廈。

電費(fèi)太貴，需要更高效的空調(diào)

代替空調(diào)的方法要實(shí)現(xiàn)可能還有點(diǎn)遠(yuǎn)。但用空調(diào)的耗電量也讓很多人糾結(jié)電費(fèi)問(wèn)題。中佛羅里達(dá)大學(xué)（UFC）太陽(yáng)能中心的研究人員丹尼·帕克（Danny Parker）提供了另一種當(dāng)前可行的技術(shù)，丹尼·帕克（Danny Parker）和他的同事們花了多年時(shí)間試圖找到使空調(diào)和供暖系統(tǒng)更高效的方法。例如，在2016，他們發(fā)現(xiàn)通過(guò)水蒸發(fā)冷卻的設(shè)備可以連接到傳統(tǒng)的空調(diào)外機(jī)上，來(lái)供給溫度更低的空氣。

這意味著常規(guī)外機(jī)組本身不必耗太多電，就能讓進(jìn)入室內(nèi)的空氣溫度冷卻。經(jīng)過(guò)計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)，在歐洲的多個(gè)氣候環(huán)境中，這樣的系統(tǒng)可以讓冷卻效率提高30%到50%。

此外，通過(guò)改進(jìn)空調(diào)本身來(lái)提高能效的還有很多。例如三星開(kāi)發(fā)的“無(wú)風(fēng)”技術(shù)，它可以將冷空氣一點(diǎn)一點(diǎn)地推進(jìn)室內(nèi)，無(wú)需耗電量高的風(fēng)扇不斷地高速吹送，一旦達(dá)到所需溫度，就會(huì)自動(dòng)停止。該公司表示，這種冷卻技術(shù)比傳統(tǒng)空調(diào)的效率高32%。

目前，市場(chǎng)上已經(jīng)有許多更加高效的空調(diào)，最常見(jiàn)的就是變頻空調(diào)。這些基于周?chē)諝鉁囟鹊膫鞲衅髯x數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)冷卻的強(qiáng)度。

這些機(jī)器上都安裝了傳感器，用來(lái)讀取周?chē)諝獾臏囟?，并以此?lái)調(diào)整制冷速度。一個(gè)15平方米的房間，變頻空調(diào)比定頻式調(diào)溫速度快6～10分鐘。達(dá)到設(shè)定溫度后，變頻空調(diào)又能以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于定頻空調(diào)的功率低速運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)并維持恒溫狀態(tài)。

帕克說(shuō)：“這些空調(diào)雖然沒(méi)有全速運(yùn)轉(zhuǎn)，但制冷效率非常高?！比欢幢氵@種空調(diào)能省電，但并未受到多大歡迎。布萊恩·馬瑟維（Brian Motherway）說(shuō)，人們可能不想花更多的錢(qián)去買(mǎi)變頻空調(diào)。

除了改造空調(diào)技術(shù)本身外，一些管理空調(diào)使用的方法也可以更有效地節(jié)約能源。

例如，智能恒溫器生產(chǎn)商塔多（Tado）的“Smart AC Contro”是一個(gè)可以通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序控制的遙控器，當(dāng)人們離開(kāi)房間時(shí)，它可以自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)。它還能根據(jù)在線(xiàn)天氣預(yù)報(bào)修改房間內(nèi)的調(diào)溫速度。塔多聲稱(chēng)，這種智能模式管理室內(nèi)溫度，可以減少40%的能源消耗。當(dāng)然，如果所有的電力消耗都是由可再生能源提供，那么對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的需求量再高也能接受。

讓空調(diào)用上玻璃發(fā)的電

用新的降溫系統(tǒng)替代空調(diào)，或是增加空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率都是圍著空調(diào)找解決方法，換一種思路也許能更好地解決問(wèn)題。使用空調(diào)時(shí)間最長(zhǎng)，數(shù)量最多的并不是家庭，而是各類(lèi)辦公大樓摩天大廈。數(shù)據(jù)顯示，辦公大樓占美國(guó)電力使用量的75%，能源使用總量的40%。這些大樓的用電都是外部提供的。如果能夠?qū)崿F(xiàn)自給自足，那么將會(huì)節(jié)省大量能源。比如讓大樓玻璃的外墻能夠發(fā)電。

位于科羅拉多的美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory ）最近開(kāi)發(fā)了一個(gè)解決方案，把窗戶(hù)變成太陽(yáng)能電池板。過(guò)去，材料科學(xué)家在窗戶(hù)玻璃中嵌入了光吸收膜。這些膜只能吸收部分的紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)，因此太陽(yáng)能窗戶(hù)往往有一種紅色或棕色的色調(diào)。而新型的太陽(yáng)能窗技術(shù)幾乎完全吸收了不可見(jiàn)的紫外線(xiàn)（UV）或紅外光，讓玻璃變得透明的同時(shí)，也降低了室內(nèi)溫度，同時(shí)還能將吸收的能量轉(zhuǎn)換為電能。該實(shí)驗(yàn)室的太陽(yáng)能專(zhuān)家蘭斯·韋樂(lè)（Lance Wheeler）說(shuō)，裝上這種窗戶(hù)的大樓有可能實(shí)現(xiàn)自給自足的用電。

大多數(shù)太陽(yáng)能電池，如工業(yè)中大量使用的標(biāo)準(zhǔn)晶體硅電池，為了使其效率最大化，犧牲透明度。將陽(yáng)光中的能量轉(zhuǎn)化為電能的百分比，表現(xiàn)最好的硅電池其效率能達(dá)到25%。另一種不透明材料鈣鈦礦做成的太陽(yáng)能電池能達(dá)到的最高效率為22%。鈣鈦礦不僅比硅便宜，而且還可以通過(guò)調(diào)整化學(xué)配方來(lái)調(diào)節(jié)吸收特定頻率的光。

近日，由密歇根州立大學(xué)的化學(xué)工程師理查德·倫特（Richard Lunt）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組報(bào)告了一種新型紫外吸收鈣鈦礦太陽(yáng)能窗，其能量轉(zhuǎn)化效率為0.5%，雖然效率不高。但倫特介紹，這種窗戶(hù)還有另一個(gè)的特點(diǎn)，它的玻璃可以根據(jù)室外光線(xiàn)的強(qiáng)弱來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)玻璃的亮度，在白天的高溫下阻止強(qiáng)光進(jìn)入室內(nèi)，從而減少建筑物對(duì)空調(diào)的需求。

理查德·倫特（Richard Lunt）相信，未來(lái)幾年內(nèi)，他和團(tuán)隊(duì)能將這個(gè)窗戶(hù)的電能轉(zhuǎn)化率提高到4%。如果能達(dá)到這一效率，就能滿(mǎn)足建筑物的照明和空調(diào)的電力需求。

去年，理查德·倫特（Richard Lunt）的團(tuán)隊(duì)利用有機(jī)半導(dǎo)體和金屬的“有機(jī)”光伏薄膜制成了紫外和紅外吸收效率高達(dá)5%的透明電池。理查德·倫特（Richard Lunt）說(shuō)，未來(lái)，這一效率可達(dá)到20%。同時(shí)仍然能保證電池幾乎完全透明。

讓太陽(yáng)能窗透明還有一種方法，依賴(lài)于發(fā)光太陽(yáng)能聚光器吸收紫外線(xiàn)和紅外頻率的光，并以傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池捕獲的波長(zhǎng)重新發(fā)射。再發(fā)射的光被集中并橫向分流，通過(guò)玻璃，嵌入到窗框中的太陽(yáng)能電池條中。根據(jù)美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）的化學(xué)家維克特·克里莫（Victor Klimov）團(tuán)隊(duì)今年一月在《自然光子學(xué)》雜志上發(fā)表文章，目前利用這種技術(shù)的窗戶(hù)的電能轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到了3.1%。

去年，美國(guó)能源部獎(jiǎng)勵(lì)來(lái)自加州圣巴巴拉的下一代能源技術(shù)（Next Energy Technologies）公司250萬(wàn)美元，以完善其半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池窗。該公司生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池窗戶(hù)的電能轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達(dá)到7%，能吸收一半的入射陽(yáng)光。與透明玻璃相比，玻璃會(huì)因此變暗，但是因?yàn)樗鼈兾展庾V中所有種類(lèi)的光，而不是特定的頻率的光，所以它們不會(huì)帶上不好看的紅色或褐色色調(diào)。

事實(shí)上這種借助太陽(yáng)能發(fā)電的玻璃國(guó)內(nèi)也有。位于北京通州的國(guó)家大劇院舞美基地的藝術(shù)交流樓安裝的就是光伏玻璃，所產(chǎn)生的光伏發(fā)電除了可供給舞美基地使用外，還可以向國(guó)家電網(wǎng)輸送剩余電能。此外位于成都的國(guó)內(nèi)第一條碲化鎘薄膜發(fā)電玻璃生產(chǎn)線(xiàn)也于去年開(kāi)工，生產(chǎn)的單片發(fā)電玻璃的光電轉(zhuǎn)化率能達(dá)到17.8%、年發(fā)電260度左右。

總體來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能發(fā)電玻璃的技術(shù)目前還處于不斷改進(jìn)中。一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是毒性：許多太陽(yáng)能窗技術(shù)含有少量有毒物質(zhì)，當(dāng)玻璃破裂時(shí)，毒物就可能外漏。此外，這些技術(shù)也必須足夠耐用，至少要有幾十年的壽命，能達(dá)到建筑業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求。解決了這些問(wèn)題，發(fā)電玻璃的大面積商業(yè)落地也就不遠(yuǎn)了。