Ongeveer 40 procent van alle energie die gebouwen wereldwijd verbruiken, wordt gebruikt voor ruimteverwarming en -koeling. Met het opwarmende klimaat, de groeiende bevolking en de stijgende levensstandaard, vooral in hete, vochtige gebieden van de derde wereld - het niveau van koeling en ontvochtiging dat nodig is om comfort te garanderen en de menselijke gezondheid te beschermen, zal naar verwachting snel stijgen, de wereldwijde vraag naar energie opdrijven.

Veel discussie is nu gericht op het vervangen van de broeikasgassen die vaak worden gebruikt als koelmiddel in de huidige airconditioners. Maar een ander prangend punt van zorg is dat de meeste bestaande systemen extreem energie-inefficiënt zijn.

"De belangrijkste reden dat ze inefficiënt zijn, is dat ze twee taken moeten uitvoeren, " zegt Leslie Norford, de George Macomber (1948) Professor in Construction Management in de afdeling Architectuur. "Ze moeten de temperatuur verlagen en vocht verwijderen, en beide dingen samen doen kost veel extra energie."

De standaardbenadering van ontvochtiging is om koud water door leidingen in een gebouwruimte te laten lopen. Als dat water kouder is dan de dauwpunttemperatuur, waterdamp in de lucht zal condenseren op de buitenoppervlakken van de leidingen. (Denk aan waterdruppels die parelen op een koud blikje frisdrank op een hete, vochtige dag.) In een airconditioningsysteem, dat het water naar buiten kan druppelen of, in een grootschalig systeem ten dienste van een gebouw, worden verzameld in een opvangbak.

Het probleem is dat het draaien van een koelmachine om zo koud water te krijgen veel elektriciteit kost - en het water is veel kouder dan nodig is om de temperatuur in de kamer te verlagen. Het scheiden van de twee functies levert op twee fronten energiebesparingen op. Voor het verwijderen van vocht uit de buitenlucht die in het gebouw wordt gebracht, is koud water nodig, maar veel minder dan nodig is om de warmte uit bewoonde gebieden te verwijderen. Met die klus geklaard, stromend koel (niet koud) water door leidingen in het plafond of de vloer zorgt voor een aangename temperatuur.

Een decennium geleden, Norford en zijn collega's van het Masdar Institute in Abu Dhabi bevestigden de energievoordelen van het handhaven van comfortabele temperaturen met behulp van koelwaterleidingen in de kamer, vooral wanneer binnenruimtes 's nachts worden voorgekoeld. wanneer elektriciteit goedkoop is en de buitenlucht koel is. Maar het ontvochtigingsproces bleef inefficiënt. Condenserende waterdamp is van nature energie-intensief, dus moesten de onderzoekers een andere manier vinden om vocht te verwijderen.

Lenen uit ontziltingssystemen

Twee jaar geleden, een veelbelovend alternatief werd onder de aandacht van Norford gebracht door John Lienhard, Abdul Latif Jameel, hoogleraar water- en werktuigbouwkunde aan het MIT. Lienhard is Norfords collega bij het Centre for Environmental Sensing and Modeling, een onderzoeksgroep bij de Singapore-MIT Alliance for Research and Technology. Lienhard werkte aan energie-efficiënte technologieën voor ontzilting. Kokend zeewater om het zout neer te slaan is zeer energie-intensief, dus de groep van Lienhard keek in plaats daarvan naar het gebruik van semipermeabele membranen die watermoleculen doorlaten maar zoutionen tegenhouden. Norford dacht dat er een soortgelijk membraan zou kunnen worden ontworpen dat waterdampmoleculen doorlaat, zodat ze kunnen worden gescheiden van andere, grotere moleculen waaruit de binnenlucht bestaat.

Dat concept werd het onderwerp van een project dat werd uitgevoerd door twee afgestudeerde studenten werktuigbouwkunde:Tianyi Chen, die met Norford werkte aan de effecten van buitenluchtstromen op de energieprestaties van gebouwen, en Omar Labban, die met Lienhard samenwerkte aan het gebruik van membranen in ontziltingssystemen. De studenten ontmoetten elkaar in een geavanceerde energieconversieklas gegeven door Ahmed Ghoniem, de Ronald C. Crane ('72) hoogleraar Werktuigbouwkunde. Gekoppeld voor een klassenproject, ze identificeerden airconditioning als een onderwerp dat zou putten uit hun respectieve onderzoeksgebieden en gebruik zou maken van hun nieuw verworven expertise in thermodynamische modellering en analyse.

Hun eerste taak was het ontwikkelen van een thermodynamisch model van de fundamentele processen die betrokken zijn bij airconditioning. Met behulp van dat model, ze berekenden het theoretisch minste werk dat nodig was om ontvochtiging en koeling te bereiken. Ze zouden dan de zogenaamde tweedewetsefficiëntie van een bepaalde technologie kunnen berekenen, dat is, de verhouding van het theoretische minimum tot het werkelijke energieverbruik. Door die statistiek als maatstaf te gebruiken, ze zouden een systematische, consistente vergelijking van verschillende ontwerpen in verschillende klimaten.

Als industriële benchmark ter vergelijking, ze gebruikten de prestatiecoëfficiënt (COP), een metriek die aangeeft hoeveel eenheden koeling worden geleverd voor elke eenheid inputelektriciteit. De COP wordt gebruikt door de fabrikanten van vandaag, dus het zou kunnen laten zien hoe verschillende ontwerpen zouden kunnen presteren ten opzichte van de huidige apparatuur. Als referentie, Norford noemt de COP van in de handel verkrijgbare systemen variërend van 5 tot 7. "Maar fabrikanten komen voortdurend met betere apparatuur, dus de doelpalen voor concurrenten bewegen voortdurend, " hij zegt.

Eerder onderzoek van Norford had aangetoond dat koelwaterleidingen in het plafond of de vloer de koelbelasting binnenshuis efficiënt aankunnen, dat wil zeggen:de warmte die van mensen komt, computers, zonlicht, enzovoort. De onderzoekers richtten zich daarom op het verwijderen van warmte en vocht uit de buitenlucht die wordt aangevoerd voor ventilatie.

Ze begonnen met het onderzoeken van de prestaties van een in de handel verkrijgbare airconditioner die gebruikmaakt van het standaard dampcompressiesysteem (VCS) dat de afgelopen eeuw is gebruikt. Hun analyse kwantificeerde de inefficiëntie van het niet scheiden van temperatuur- en vochtigheidsregeling. Verder, het wees een belangrijke bron van die inefficiëntie aan:het condensatieproces. Hun resultaten toonden aan dat het systeem het minst efficiënt was in koele, vochtige omstandigheden en verbeterden naarmate de omstandigheden heter en droger werden. Maar op zijn best, het gebruikte vijf tot tien keer meer energie dan het theoretisch vereiste minimum. Dus, er was een grote kans voor verbetering.

Membranen en droogmiddelen

Om het gebruik van membraantechnologie te onderzoeken, de onderzoekers begonnen met een eenvoudig systeem met een enkele membraanbevattende eenheid. Buitenlucht komt de unit binnen, en een vacuümpomp trekt de waterdamp erin over het membraan. De pomp verhoogt vervolgens de druk tot omgevingsniveaus, zodat de waterdamp vloeibaar water wordt voordat deze uit het systeem wordt uitgeworpen. De niet meer vochtige buitenlucht gaat van de membraanunit door een conventionele koelspiraal en komt de binnenruimte binnen, zorgen voor frisse lucht voor ventilatie en wat warmer duwen, vochtige afvoerlucht buitenshuis.

Volgens hun analyse het systeem presteert het beste in relatief droge omstandigheden, maar zelfs dan haalt het een COP van slechts 1,3 - niet hoog genoeg om te concurreren met een huidig ​​systeem. Het probleem is dat het draaien van de vacuümpomp met hoge compressieverhoudingen veel energie kost.

Om de inkomende luchtstroom te helpen koelen, de onderzoekers probeerden een warmtewisselaar toe te voegen om warmte van de warme binnenkomende lucht over te brengen naar de koele uitlaatlucht en een condensor om waterdamp die door de membraaneenheid werd opgevangen, om te zetten in koel water voor de koelspiraal. Die veranderingen duwden de COP naar 2,4 - beter maar niet hoog genoeg.

De onderzoekers overwogen vervolgens opties met behulp van droogmiddelen, materialen die een sterke neiging hebben om water te adsorberen en vaak verpakt zijn met consumentenproducten om ze droog te houden. Bij airconditioningsystemen, een droogmiddelcoating wordt meestal op een wiel gemonteerd dat zich tussen de inkomende en uitlaatluchtstromen bevindt. Terwijl het wiel draait, een deel van het droogmiddel gaat eerst door de binnenkomende lucht en adsorbeert vocht daaruit. Het gaat dan door de verwarmde afvoerlucht, die het droogt, zodat het klaar is om meer vocht te adsorberen bij de volgende passage door de binnenkomende lucht.

De onderzoekers begonnen met het analyseren van verschillende systemen met een droogmiddelwiel, maar de winst in COP was beperkt. Vervolgens probeerden ze de droogmiddel- en membraantechnologieën samen te gebruiken. Bij dit ontwerp is een droogmiddel wiel, een membraanvochtwisselaar, en een warmtewisselaar dragen allemaal vocht en warmte over van de binnenkomende lucht naar de afvoerlucht. Een koelspiraal koelt de binnenkomende lucht verder af voordat deze in de binnenruimte wordt afgeleverd. Een warmtepomp verwarmt de afvoerlucht, die vervolgens door het droogmiddel gaat om het te drogen en te regenereren voor voortgezet gebruik.

Dit gecompliceerde "hybride" systeem levert een COP van 4 op bij een breed scala aan temperaturen en vochtigheid. Maar dat is nog niet hoog genoeg om te concurreren.

Systeem met twee membranen

De onderzoekers probeerden vervolgens een nieuw systeem dat het droogmiddelwiel weglaat maar twee membraaneenheden bevat, wat een ontwerp oplevert dat relatief eenvoudig is, maar meer speculatief dan de andere. Het belangrijkste nieuwe concept betrof het lot van de waterdamp in de inkomende luchtstroom.

In dit systeem, een vacuümpomp trekt de waterdamp door een membraan - nu membraaneenheid 1 genoemd. Maar de opgevangen waterdamp wordt vervolgens over het membraan in eenheid 2 geduwd en voegt zich bij de afvoerluchtstroom - zonder ooit in vloeibaar water te veranderen. Bij deze regeling de vacuümpomp hoeft er alleen voor te zorgen dat de dampdruk aan de bovenstroomse zijde van membraan 2 hoger is dan aan de benedenstroomse zijde zodat de waterdamp erdoor wordt geduwd. Het is niet nodig om de druk te verhogen tot omgevingsniveaus, die de waterdamp zou condenseren, dus het draaien van de vacuümpomp kost minder werk. Die nieuwe benadering resulteert in een COP die wel 10 kan bereiken en een COP van 9 bereikt bij vele combinaties van temperatuur en vochtigheid.

Verschillende opties voor verschillende steden

Voor de meeste geanalyseerde systemen prestaties variëren bij verschillende combinaties van omgevingstemperatuur en vochtigheidsniveau. Om de praktische impact van die variabiliteit te onderzoeken, de onderzoekers onderzochten hoe geselecteerde systemen zouden presteren in vier steden met verschillende klimaten. In ieder geval, de analyse ging uit van een gemiddelde zomerse buitentemperatuur en relatieve vochtigheid.

In het algemeen, de systemen die zij beschouwden presteerden beter dan de conventionele VCS die bij COP's werken, in overeenstemming met de huidige praktijk. Bijvoorbeeld, in Dubai (wat staat voor een tropisch woestijnklimaat), het gebruik van het hybride membraan-droogmiddelsysteem zou het energieverbruik met maar liefst 30 procent kunnen verminderen ten opzichte van de standaard VCS. In Las Vegas (een subtropisch droog klimaat), waar de luchtvochtigheid lager is, een op droogmiddel gebaseerd systeem (zonder membraan) is de meest efficiënte optie, mogelijk ook een reductie van 30 procent.

In New York (een subtropisch vochtig klimaat), alle ontwerpen zien er goed uit, maar het op droogmiddel gebaseerde systeem doet het het beste met een vermindering van 70 procent van het totale energieverbruik. En in Singapore (een tropisch zeeklimaat), het droogmiddelsysteem en het gecombineerde membraandroogmiddelsysteem doen het even goed, met een potentiële besparing van maar liefst 40 procent - en gezien de kosten van de twee opties, het systeem met alleen droogmiddel komt naar voren als de beste keuze.

Bij elkaar genomen, de bevindingen van de onderzoekers bieden twee belangrijke boodschappen voor het wereldwijd bereiken van efficiëntere binnenkoeling. Eerst, het gebruik van membranen en droogmiddelen kan de efficiëntie van de airconditioner verhogen, maar de echte prestatiewinst komt wanneer dergelijke technologieën worden opgenomen in zorgvuldig ontworpen en geïntegreerde systemen. En ten tweede, het lokale klimaat en de beschikbaarheid van hulpbronnen - zowel energie als water - zijn cruciale factoren om te overwegen bij het beslissen welk airconditioningsysteem de beste prestaties zal leveren in een bepaald deel van de wereld.