普林斯頓大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明，一種經(jīng)常被忽視的冷卻技術(shù)可以在世界各地的建筑物中實(shí)現(xiàn)更多的通風(fēng)，同時(shí)大大降低能源成本。

在《應(yīng)用能源》雜志新冠肺炎版上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員表明，輻射系統(tǒng)是空調(diào)的替代品，它控制人們周圍表面的溫度，而不是空氣。輻射冷卻板已經(jīng)存在了一個(gè)多世紀(jì)，但由于冷卻板上凝結(jié)的問題，其使用范圍有限。

這項(xiàng)研究由建筑學(xué)助理教授、安德林格能源與環(huán)境中心的Forrest Meggers領(lǐng)導(dǎo)，該研究發(fā)現(xiàn)，將輻射板封裝在一種特殊的膜中可以使該技術(shù)在每個(gè)主要?dú)夂騾^(qū)都有用，至少在一年中的一部分時(shí)間里是這樣，并且可以降低高達(dá)25%的能源成本。研究人員表示，即使周圍的空氣溫度異常高，用涼爽的表面包圍人們也能讓建筑居住者感到舒適。

這種輻射冷卻可以使建筑物引入大量新鮮空氣，而無需消耗大量能量來冷卻這些空氣。這項(xiàng)創(chuàng)新在今天可能特別重要，因?yàn)楣残l(wèi)生指南呼吁提高通風(fēng)率以對抗新冠肺炎，這是一種容易在室內(nèi)傳播的空氣傳播病毒。

冷卻表面，而非空氣

輻射系統(tǒng)依賴于輻射傳熱或輻射，即熱量不斷從溫暖的表面流向較冷的表面的原理。研究人員表示，輻射供暖的影響占人們在空間中感受的50%，另一半是空氣溫度。輻射熱傳遞是人們在冬夜篝火旁感到溫暖，或在寒冷的日子里在窗戶旁感到?jīng)鏊脑?，即使室溫正常?/p>

Meggers利用了這種效果，創(chuàng)建了一個(gè)封閉在透明膜內(nèi)的小型冷水管系統(tǒng)，然后將其放置在墻壁和天花板上。

梅格斯花了數(shù)年時(shí)間研究輻射系統(tǒng)，以及它們?nèi)绾螏椭岣呓ㄖ?，但新冠肺炎大流行使人們更加關(guān)注冷卻表面而不是空氣的額外好處。梅格斯說：“我們意識到，在更好地減輕新冠肺炎風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，我們可以將效率提高一倍。”。

在全球范圍內(nèi)重振課堂

梅格斯說，安裝了輻射板的學(xué)?？梢酝ㄟ^打開門窗和用風(fēng)扇移動(dòng)空氣來增加通風(fēng)，而不會產(chǎn)生巨大的空調(diào)成本。

“盡管我們的系統(tǒng)需要重新配置天花板空間，但它不需要管道工程或圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造，這意味著它可以在現(xiàn)有空間中廣泛實(shí)施，”前安德林格中心杰出博士后研究員、梅格斯實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)任博士后研究員Kian Wee Chen說。

陳說，教室是測試輻射系統(tǒng)的好地方，因?yàn)榕c高層辦公樓不同，它們通常有打開的窗戶，而且一個(gè)房間里有很多人可能會對健康造成風(fēng)險(xiǎn)。陳表示，由于系統(tǒng)中的水管，改造將需要管道工程，但這項(xiàng)任務(wù)不會過于勞動(dòng)密集或技術(shù)要求高。

在2020年發(fā)表在《建筑研究與信息》雜志上的一篇論文中，陳表示，與再循環(huán)空氣相比，在世界上最炎熱、最潮濕的氣候之一新加坡，輻射冷卻系統(tǒng)可以使流入教室的空氣100%是來自室外的新鮮空氣。陳和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，即使沒有傳統(tǒng)的空調(diào)，只要有風(fēng)扇和移動(dòng)空氣的方法，輻射系統(tǒng)對高濕度環(huán)境也是有效的。

為了跟進(jìn)這項(xiàng)研究，梅格斯實(shí)驗(yàn)室的研究人員想探索這項(xiàng)技術(shù)在全球所有氣候中的確切用途。他們設(shè)計(jì)了包含濕度、風(fēng)、露點(diǎn)等天氣條件的模型，發(fā)現(xiàn)在他們研究的60個(gè)城市中，該系統(tǒng)可以在一年中的大部分時(shí)間用于大多數(shù)建筑。根據(jù)他們的模型，與基線相比，建筑物的平均年能源成本將節(jié)省10%至25%，在疫情的運(yùn)營壓力下更是如此。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)將在新加坡、里約熱內(nèi)盧和邁阿密等地節(jié)省最多的能源和成本，因?yàn)楝F(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)在將空氣送入建筑物之前會使用大量能源對其進(jìn)行除濕，而輻射系統(tǒng)則不需要。結(jié)果顯示，在這些地方，空調(diào)可以關(guān)閉，輻射系統(tǒng)全年70%的時(shí)間都在原地運(yùn)行。在這些地區(qū)和世界其他地區(qū)，當(dāng)溫度條件過于極端，輻射系統(tǒng)無法滿足時(shí)，將需要機(jī)械加熱或冷卻系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)可以在輻射和基于空氣的舒適控制的混合模式下一起運(yùn)行，或者只使用空調(diào)或暖氣作為備用。研究人員得出結(jié)論，這兩種選擇都需要比完全依靠調(diào)節(jié)空氣舒適度少得多的能量來加熱或冷卻。

克服障礙

研究人員表示，這項(xiàng)技術(shù)沒有被廣泛采用有幾個(gè)原因。一個(gè)是冷凝，梅格斯小組用其將冷管道與潮濕空氣隔開的封裝膜解決了這個(gè)問題。

但是，據(jù)研究人員稱，還有一個(gè)更大的文化問題在起作用：空調(diào)在美國人的生活和建筑中根深蒂固。在20世紀(jì)50年代，空調(diào)是財(cái)富的象征，20年后，中央系統(tǒng)取代了窗戶。建筑物現(xiàn)在被設(shè)計(jì)成氣密的，只通過空調(diào)系統(tǒng)與室外空氣接觸，留給替代品的工具和設(shè)計(jì)規(guī)范很少。

陳表示，全球新冠肺炎疫情表明，有必要重新評估暖通空調(diào)系統(tǒng)，并有機(jī)會在美國公眾和設(shè)計(jì)行業(yè)創(chuàng)造持久的變革。

為未來而設(shè)計(jì)

賓夕法尼亞大學(xué)韋茨曼設(shè)計(jì)學(xué)院建筑學(xué)助理教授、最新論文的合著者多里特·阿維夫說：“如果建筑師假設(shè)一個(gè)帶有暖通空調(diào)系統(tǒng)的氣密建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)將與允許自然通風(fēng)的建筑大不相同?！?。“但是，如果你仔細(xì)想想，在空調(diào)出現(xiàn)之前的幾個(gè)世紀(jì)里，建筑的設(shè)計(jì)一直鼓勵(lì)自然通風(fēng)?！盇viv于2020年在Meggers的實(shí)驗(yàn)室完成了博士學(xué)位。

下一步，Meggers的團(tuán)隊(duì)正在為依賴輻射系統(tǒng)而不是空調(diào)的建筑開發(fā)相當(dāng)于恒溫器的產(chǎn)品。他們還設(shè)想了通風(fēng)口和過濾器，在控制過敏原、灰塵和花粉的同時(shí)引入大量空氣。他們的目標(biāo)是

測試更多的部署，并為系統(tǒng)的建設(shè)和使用提供指導(dǎo)，包括改造需要額外通風(fēng)的教室，以便在疫情期間安全運(yùn)行。

該研究的其他作者包括：Eric Teitelbaum、Denon Sheppard、Jovan Pantelic和Adam Rysanek。