新知 | 空调供电每年排放19.5亿吨二氧化碳，如何让空调更环保

撰文|王智镝

编辑|郭郭

→这是《环球零碳》的第291篇原创

近日，由于气候变化的影响，高温席卷了全球多个地区，许多国家都发布了高温预警信号。电风扇已经无法抵挡炎热，人们只能依靠空调度过酷暑。然而，过多的空调在同时运行，一些国家或地区面已经面临供电不足的威胁。

虽然空调能够使人们保持凉爽，但是传统的空调需要消耗大量的能源。当前，建筑物总用电量的约20%由空调等制冷装置消耗。

根据美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）和施乐公司帕洛阿尔托研究中心（XeroxPARC）3月份发布的一份分析报告，空调造成了全球近4%的温室气体排放。

这项研究显示，每年为空调供电会排放19.5亿吨二氧化碳，其中5.31亿吨用于冷却空气，5.99亿吨用于除湿，另外8.2亿吨则来自制冷剂的泄漏以及空调机组制造和运输过程中的排放。

越来越多的人需要空调来保持舒适甚至生存，意味着气候变化还在加剧。为了达到碳中和的目标，寻找替代能源以降低电力消耗来驱动制冷设备变得越来越重要。

太平洋西北国家实验室（PNNL）研究小组研发了一种吸附式冷却系统，该系统使用来自建筑物或工业厂房的适量废热来为蒸汽制冷剂和固体材料之间的反应提供能量。他们认为该系统可以节省大量能源。

该研究近日发表在《化学研究账目（AccountsofChemicalResearch）》杂志上。

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吸附式冷却系统的机理

基于吸附的冷却是一种清洁能源技术，它可以由废热或太阳能热能驱动。吸附式冷却系统中的能量重新分配是基于制冷剂的解吸循环而实现的。

在基于吸附的制冷循环中，制冷剂的冷凝、膨胀和蒸发的原理与传统的基于机械压缩机的制冷循环相同，唯一不同的是用吸附剂代替了机械压缩机。

当吸附室开始升温时，其中的制冷剂开始解吸，吸附室也就转变为了解吸室。从制冷剂中产生的压力被排放到冷凝器中。相比之下，传统的机械式压缩机依靠电力来移动活塞，通过膨胀或压缩体积，使制冷剂的压力改变。

冷凝器中的加压制冷剂暴露在冷却液中，冷却液使腔室保持低温，解吸的制冷剂可以冷凝成混合蒸汽以减少其储存的能量。然后，冷凝的制冷剂通常会膨胀以降低压力并蒸发，从而产生相变所需的一些潜热。

膨胀后，热量重新施加到蒸发室中的制冷剂上。加热的蒸发制冷剂最终重新进入冷却的吸附室，循环重复。这就是吸附式冷却系统的工作流程。

吸附式冷却的使用对传统设备来说是有利的，它能通过限制机械部件减少维护来延长设备的寿命，利用工业废热运作也能降低能源的需求。

然而，目前的商用吸附剂技术还不够完善，限制了每个循环的制冷剂流量。调整吸附冷却系统以达到理想的冷却能力和能源效率需要了解系统的蒸汽制冷剂（称为客体）与固体吸收剂材料（称为主体）之间的复杂化学性质。

PNNL的化学工程师RadhaMotkuri和他的团队通过分析主客体化学性质和框架孔隙结构的重要性，以氢氟碳化物制冷剂与MOF/COP材料的相互作用为目标，研究化学变化如何转化为冷却性能。

研究团队通过拉长的有机连接物框架孔隙率（孔径、孔体积）、合成过程中的立体化学控制、改变孔的结构和形态以影响吸附温度；还引入了不饱和金属中心来控制吸附剂之间的相互作用，以提高狭小压力范围内的工作能力，并利用框架内的缺陷位点进一步提高制冷效率。

他们还通过现场实验技术，如同步辐射X射线衍射、现场傅里叶变换红外光谱、X射线吸收光谱和通过量热法直接测定吸附能，实现了对吸附剂之间相互作用的原子级理解。

“基于制冷剂的吸附冷却消除了主要的成本，效率和可靠性问题，这些问题限制了当前水基吸附冷却系统在商业和住宅建筑中的采用，”实验室研究员兼化学工程师PeteMcGrail说，他领导PNNL的吸附冷却研究多年。

图说：蒸汽制冷剂（客体）分子被吸附在固体材料（主体）的纳米孔中。

来源：[1]

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环保型制冷剂的选择

国际能源署（IEA）估计，在地球温度不断上升的情况下，全球制冷相关的能源需求快速增长，预计到2050年将增加两倍。

在此背景下，人们开始将目光聚焦于能够降低排放的环保空调上。想要实现减排，除了使用更节能的系统外，还应该改变制冷剂的标准。

常用的氢氟碳化物制冷剂将在未来几年内逐步淘汰，取而代之的是更环保的氢氟烯烃（HFO）。HFO的全球变暖潜热接近于零，这意味着与氢氟碳化物制冷剂的排放相比，HFO在大气中的相对热量要少得多。意识到这一区别后，Motkuri和他的团队使用现成的，廉价的氢氟碳化物制冷剂R-134a进行了实验。

实验结果表明，这种氢氟碳化合物制冷剂具有很高的全球变暖潜热值，但化学行为与HFO相似，这使其成为研究未来将使用HFO的吸附冷却系统的分子相互作用的合适替代品。研究人员期待在未来的吸附冷却研究中整合HFO，作为绿色冷却系统的下一步。

该研究得到了美国能源高级研究计划局（ARPA-E），美国军事海运司令部（DOE），能源部地热技术办公室（GTO）和PNNL实验室指导的研究与开发计划（LDRD）的支持。

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参考资料：

[1]https://www.sciencetimes.com/articles/39046/20220728/researchers-investigate-adsorption-cooling-system-achieve-energy-efficiency.htm

[2]DushyantBarpaga,JianZheng,B.PeterMcGrail,andRadhaKishanMotkuriAccountsofChemicalResearch202255(5),649-659