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古人是如何制冷的?这种空调更节能!

来源:蝌蚪五线谱2023-07-11 13:43

  夏天来了,又到了吃烧烤、喝啤酒的季节,我们经常看到在路边摊上吹着空调、喝着啤酒、大快朵颐的食客。

  不知道你有没有观察过,这种吹出凉风的空调扇可不是我们办公室或家里安装的那种空调器,这种空调扇和户外喷雾降温,甚至和古代的“自雨亭”“含凉殿”有着相同的原理,它们利用的其实是蒸发冷却。

  空调扇、户外喷雾系统与自雨亭

  一、什么是蒸发冷却?

  蒸发冷却是一种通过水的蒸发来冷却空气的过程,即水会吸收空气的热量而蒸发从而冷却空气。

  空气越干燥,其容纳水分的能力越强,用水喷淋空气时,空气温度的降低程度越大,如果采用温度更低的自来水或井水,其空气的降温效果更佳。

  因此,在高温干燥环境下,采用蒸发冷却空调扇来冷却空气比采用空调器要少消耗很多的电能,从而具有很好的节能效果。

  但是空气中能够容纳的水分含量是有限的(到达极限后再增加水分就会以液态水的形式从空气中流出),因此,蒸发冷却能够制取的低温空气温度受到这一特性的限制,不可能制取很低温度的空气。

  二、原来古人就用过蒸发冷却制冷

  数千年前,古埃及和波斯以屋顶风井“捕风器”的形式使用了蒸发冷却空调。“捕风器”设置在逆风处,空气沿风井向下流动进入楼内的喷泉处,然后把冷却的空气送入室内。

  中东地区带有挡风板的“捕风器”以及室内喷泉(公元前2世纪的壁画)

  在中国古代也有蒸发冷却空调的记录,汉朝发明家丁缓发明了七轮扇,“七轮扇连七轮,大皆径丈(《西京杂记》卷一)”,后世用水力驱动它、并将水流引入到空气流动的位置,不仅提供了动力、还利用蒸发冷却降低空气温度,让人们感觉“泠泠瑟瑟,非丝非竹,天籁遥闻(乾隆《圆明园四十景图咏》)”。

  类似的还有自雨亭、含凉殿,有诗云“琥珀盏红疑漏雨,水晶帘莹更通风(刘禹锡《刘驸马水亭避暑》)”,将冷水输送到顶部,然后从房檐四周流下形成水帘,起到避暑降温的效果。

  预估含凉殿原理 圆明园四十景水木明瑟

  在古代,利用蒸发冷却原理避暑纳凉、清凉一夏往往是达官贵人才能享受到的服务,而今,随着社会的发展,用电驱动制冷的空调器、多联机已经“飞入寻常百姓”家庭,然而,蒸发冷却这种方式仍然有着不可替代的作用。

  蒸发冷却从之前非常简单的一种通风降温方式,转变为一种利用干空气等可再生能源的节能、绿色的技术,将有效推动“碳达峰、碳中和”的实现。

  三、绿色节能的蒸发冷却技术

  在西部干旱或半干旱地区,很多工业建筑使用蒸发冷却降温空气系统完全可以替代机械制冷空调系统,而在湿润和半湿润地区,也可以利用露点蒸发冷却实现制冷,从而改善车间的工作环境。

  在大数据时代,通信机房和数据中心全年不间断运行,能耗持续增加,而在冬季或过渡季节利用蒸发冷却技术,结合夏季间接蒸发冷却预冷,可大幅降低全年运行能耗。

  蒸发冷却也在家用空调有着不可替代的作用,除了前面提到的空调扇外,蒸发冷却也可以和新型家用空调技术结合。

  在2021年举办的全球制冷技术创新大奖赛中,中国团队提出了“集成蒸发冷却和太阳能光伏的先进蒸气压缩制冷技术”的空调器方案, 将蒸发冷却、太阳能光伏和高效制冷系统有机结合,实现了空调器的高效节能和室内温湿度的精确控制,从2100多支团队中脱颖而出获得冠军。

  该技术应用蒸发冷却将干燥的空气作为室内环境的调控手段,结合气候适应的通风控制技术,实现了通风、降温、除湿功能,开辟了空调技术发展新方向。

  将蒸发冷却这种有数千年应用历史的技术与新型技术相结合,挖掘蒸发冷却的应用价值和节能潜力,从而能为全球节能减排、低碳转型贡献更多智慧、方案和力量,为绿色发展注入强大动能。

  全球制冷技术创新大奖赛颁奖仪式

  参考文献:

  [1] Kheirabadi, Masoud (1991).Iranian cities: formation and development. Austin, TX: University of Texas Press.

  [2] 徐爱清.古人避暑有何诀窍[J]. 科学大观园, 2022,No.645(13):72-75.

  END

  作者:杨子旭,清华大学建筑技术科学系博士后

  供稿:北京制冷学会

[ 责编:蔡琳 ]
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