Cirka 40 procent av all energi som förbrukas av byggnader över hela världen används för uppvärmning och kylning av rum. Med det värmande klimatet såväl som växande befolkningar och stigande levnadsstandard – särskilt i varma, fuktiga regioner i utvecklingsvärlden – nivån av kylning och avfuktning som behövs för att säkerställa komfort och skydda människors hälsa förutspås stiga brant, driva upp den globala energiefterfrågan.

Mycket diskussion fokuseras nu på att ersätta de växthusgaser som ofta används som köldmedier i dagens luftkonditioneringsanläggningar. Men en annan angelägen oro är att de flesta befintliga system är extremt energiineffektiva.

"Den främsta anledningen till att de är ineffektiva är att de har två uppgifter att utföra, säger Leslie Norford, George Macomber (1948) professor i byggnadsledning vid institutionen för arkitektur. "De måste sänka temperaturen och ta bort fukt, och att göra båda dessa saker tillsammans tar mycket extra energi."

Standardmetoden för avfuktning är att köra kallt vatten genom rör inuti ett byggnadsutrymme. Om vattnet är kallare än daggpunktstemperaturen, vattenånga i luften kommer att kondensera på de yttre ytorna av rören. (Tänk på vattendroppar som pärlar sig på en kall läskburk på en varm, fuktig dag.) I ett luftkonditioneringssystem, att vatten kan släppa utanför eller, i ett storskaligt system som betjänar en byggnad, samlas i en uppsamlingspanna.

Problemet är att köra en kylare för att få så kallt vatten tar mycket elektricitet – och vattnet är mycket kallare än vad som behövs för att sänka temperaturen i rummet. Att separera de två funktionerna ger energibesparingar på två fronter. Att avlägsna fukt från utomhusluften som förs in i byggnaden kräver kallt vatten men mycket mindre av det än vad som behövs för att avlägsna värme från upptagna utrymmen. Med det jobbet gjort, rinnande kallt (inte kallt) vatten genom rör i taket eller golvet kommer att hålla en behaglig temperatur.

För ett decennium sedan, Norford och hans kollegor vid Masdar Institute i Abu Dhabi bekräftade energifördelarna med att upprätthålla behagliga temperaturer med hjälp av kallvattenrör i rummet – särskilt när inomhusutrymmen är förkyld på natten, när elen är billig och utomhusluften är sval. Men avfuktningsprocessen förblev ineffektiv. Kondenserande vattenånga är i sig energikrävande, så forskarna behövde hitta ett annat sätt att ta bort fukt.

Lån från avsaltningssystem

Två år sedan, ett lovande alternativ kom till Norfords uppmärksamhet av John Lienhard, MIT:s Abdul Latif Jameel professor i vatten- och maskinteknik. Lienhard är Norfords kollega vid Center for Environmental Sensing and Modeling, en forskargrupp vid Singapore-MIT Alliance for Research and Technology. Lienhard arbetade med energieffektiva tekniker för avsaltning. Att koka havsvatten för att fälla ut saltet är mycket energikrävande, så Lienhards grupp tittade istället på att använda semipermeabla membran som släpper igenom vattenmolekyler men stoppar saltjoner. Norford trodde att ett liknande membran kunde designas som tillåter vattenånga att passera igenom så att de kan separeras från andra, större molekyler som utgör inomhusluften.

Det konceptet blev föremål för ett projekt som genomfördes av två maskinteknikstudenter:Tianyi Chen, som arbetade med Norford om effekterna av utomhusluftflöden på byggnadens energiprestanda, och Omar Labban, som samarbetade med Lienhard om att använda membran i avsaltningssystem. Eleverna träffades i en avancerad energiomvandlingsklass undervisad av Ahmed Ghoniem, Ronald C. Crane ('72) professor i maskinteknik. Parat ihop för ett klassprojekt, de identifierade luftkonditionering som ett ämne som skulle dra på deras respektive forskningsintresseområden och använda deras nyförvärvade expertis inom termodynamisk modellering och analys.

Deras första uppgift var att utveckla en termodynamisk modell av de grundläggande processerna som är involverade i luftkonditionering. Med den modellen, de beräknade det teoretiskt minsta arbete som krävs för att uppnå avfuktning och kylning. De kunde sedan beräkna den så kallade andra lagens effektivitet för en given teknik, det är, förhållandet mellan det teoretiska minimumet och dess faktiska energiförbrukning. Att använda det måttet som riktmärke, de kunde utföra en systematisk, konsekvent jämförelse av olika mönster i olika klimat.

Som ett industriellt riktmärke för jämförelse, de använde prestandakoefficient (COP), ett mått som visar hur många enheter kyla som tillhandahålls för varje enhet ingående el. COP används av dagens tillverkare, så det kan visa hur olika konstruktioner kan prestera i förhållande till nuvarande utrustning. Som referens, Norford nämner COP för kommersiellt tillgängliga system som sträcker sig från 5 till 7. "Men tillverkare kommer hela tiden med bättre utrustning, så målstolparna för konkurrenterna rör sig hela tiden, " han säger.

Norfords tidigare forskning hade visat att kallvattenrör i taket eller golvet effektivt kan hantera kylbelastningar inomhus – det vill säga, värmen som kommer från människor, datorer, solljus, och så vidare. Forskarna fokuserade därför på att ta bort värme och fukt från utomhusluften som tas in för ventilation.

De började med att undersöka prestandan hos en kommersiellt tillgänglig luftkonditionering som använder standardångkompressionssystemet (VCS) som har använts under det senaste århundradet. Deras analys kvantifierade ineffektiviteten i att inte separera temperatur- och fuktighetskontroll. Ytterligare, den pekade ut en viktig källa till denna ineffektivitet:kondensationsprocessen. Deras resultat visade att systemet var minst effektivt i kyla, fuktiga förhållanden och förbättrades när förhållandena blev varmare och torrare. Men när den är som bäst, den använde fem till tio gånger mer energi än det teoretiska minimum som krävs. Således, det fanns betydande möjligheter till förbättringar.

Membran och torkmedel

För att utforska användningen av membranteknologi, forskarna började med ett enkelt system som innehåller en enda membraninnehållande enhet. Uteluft kommer in i enheten, och en vakuumpump drar vattenångan i den över membranet. Pumpen höjer sedan trycket till omgivningsnivåer så att vattenångan blir flytande vatten innan den kastas ut från systemet. Den inte längre fuktiga utomhusluften passerar från membranenheten genom en konventionell kylslinga och kommer in i inomhusutrymmet, ger frisk luft för ventilation och trycker lite varmare, fuktig frånluft utomhus.

Enligt deras analys, systemet fungerar bäst i relativt torra förhållanden, men även då uppnår den en COP på endast 1,3 — inte tillräckligt hög för att konkurrera med ett nuvarande system. Problemet är att det förbrukar mycket energi att köra vakuumpumpen med höga kompressionsförhållanden.

För att hjälpa till att kyla den inkommande luftströmmen, forskarna försökte lägga till en värmeväxlare för att överföra värme från den varma inkommande luften till den kalla frånluften och en kondensor för att omvandla vattenånga som fångas upp av membranenheten till kallt vatten för kylslingan. Dessa ändringar drev upp COP till 2,4 – bättre men inte tillräckligt högt.

Forskarna övervägde sedan alternativ med torkmedel, material som har en stark benägenhet att absorbera vatten och som ofta är packade med konsumentprodukter för att hålla dem torra. I luftkonditioneringssystem, en torkmedelsbeläggning är vanligtvis monterad på ett hjul som är placerat mellan inkommande och utgående luftflöden. När hjulet roterar, en del av torkmedlet passerar först genom den inkommande luften och absorberar fukt från den. Den passerar sedan genom den uppvärmda frånluften, som torkar den så att den är redo att absorbera mer fukt vid nästa passage genom den inkommande luften.

Forskarna började med att analysera flera system som innehåller ett torkmedelshjul, men vinsterna i COP var begränsade. Därefter försökte de använda torkmedels- och membranteknologierna tillsammans. I denna design, ett torkmedelshjul, en membranfuktväxlare, och en värmeväxlare överför alla fukt och värme från den inkommande luften till frånluften. En kylslinga kyler den inkommande luften ytterligare innan den levereras till inomhusutrymmet. En värmepump värmer frånluften, som sedan passerar genom torkmedlet för att torka och regenerera det för fortsatt användning.

Detta komplicerade "hybrid"-system ger en COP på 4 under ett brett område av temperaturer och luftfuktighet. Men det är fortfarande inte tillräckligt högt för att konkurrera.

Tvåmembransystem

Forskarna provade sedan ett nytt system som utelämnar torkmedelshjulet men inkluderar två membranenheter, ger en design som är relativt enkel men mer spekulativ än de andra. Det nya nyckelbegreppet involverade ödet för vattenångan i den inkommande luftströmmen.

I detta system, en vakuumpump drar vattenångan genom ett membran – nu kallat membranenhet 1. Men den infångade vattenångan trycks sedan över membranet i enhet 2 och förenas med frånluftsströmmen – utan att någonsin förvandlas till flytande vatten. I detta arrangemang, Vakuumpumpen behöver bara se till att ångtrycket är högre på uppströmssidan av membranet 2 än på nedströmssidan så att vattenångan trycks igenom. Det finns inget behov av att höja trycket till omgivningsnivåer, som skulle kondensera vattenångan, så det tar mindre arbete att köra vakuumpumpen. Den nya metoden resulterar i en COP som kan nå så högt som 10 och uppnå en COP på 9 vid många kombinationer av temperatur och luftfuktighet.

Olika alternativ för olika städer

För de flesta av de analyserade systemen, prestanda varierar vid olika kombinationer av omgivningstemperatur och luftfuktighetsnivå. För att undersöka den praktiska effekten av denna variation, forskarna undersökte hur utvalda system skulle fungera i fyra städer med olika klimat. I varje fall, analysen antog en genomsnittlig utomhustemperatur sommartid och relativ luftfuktighet.

I allmänhet, de system som de ansåg överträffade den konventionella VCS som fungerade vid COPs i enlighet med nuvarande praxis. Till exempel, i Dubai (som representerar ett tropiskt ökenklimat), att använda hybridmembran-torkmedelssystemet kan minska energiförbrukningen med så mycket som 30 procent jämfört med standard VCS. I Las Vegas (ett subtropiskt torrt klimat), där luftfuktigheten är lägre, ett torkmedelsbaserat system (utan membran) är det mest effektiva alternativet, potentiellt också medföra en minskning med 30 procent.

I New York (ett subtropiskt fuktigt klimat), alla mönster ser bra ut, men det torkmedelsbaserade systemet klarar sig bäst med en 70-procentig minskning av den totala energiförbrukningen. Och i Singapore (ett tropiskt oceaniskt klimat), torkmedelssystemet och det kombinerade membran-torkmedelssystemet fungerar lika bra, med en potentiell besparing på så mycket som 40 procent – ​​och med tanke på kostnaderna för de två alternativen, systemet med enbart torkmedel framstår som det bästa valet.

Tagen tillsammans, forskarnas resultat ger två nyckelbudskap för att uppnå effektivare inomhuskyla över hela världen. Först, att använda membran och torkmedel kan öka luftkonditioneringens effektivitet, men de verkliga prestandavinsterna kommer när sådan teknik införlivas i noggrant designade och integrerade system. Och för det andra, det lokala klimatet och tillgången på resurser – både energi och vatten – är kritiska faktorer att ta hänsyn till när man bestämmer vilket luftkonditioneringssystem som ger bäst prestanda i ett visst område i världen.