空调之城

杜夏德

炎炎夏日，没有什么比待在空调房里更让人舒服了。无论是摩天写字楼、购物商场、酒店、餐厅还是地铁公交和汽车，凡是室内有人待的地方，几乎都被装上了空调系统。当我们享受着空调扇叶中送来的习习凉风时，轰隆隆的空调外机正在向外排散股股热风。

空调不能凭空制冷， 而是将室内的热空气排到室外，在往室内送出冷风的同时， 室外机也不断送出热风。这一过程需要耗费大量电力，这些用电猛如虎的机器也在消耗大量能源，发电过程中所排放的二氧化碳也会让室外的气温越来越高。

世界气候变得越来越热，气候记录学家发现，根据历史气温记录，在17个最热的年份中，有16个发生自2001年以后，也难怪全球人民对“空调续命”的需求也快冲破了天花顶。而让我们在高温下续命的真正幕后英雄是被消耗的能源。国际能源机构（IEA）称，从现在到2050年，这些空调消耗的能源将会翻上三倍。

难怪空调系统需要通过屋顶。国际能源机构（IEA）说，他们现在消耗的能源很可能到2050年上升三倍。这个数字有多大呢？换句话说，到了2050年，全球空调的耗电量会相当于美国、欧盟和日本这三个发达国家当前的电用量总和。这可是世界上最发达的三个国家和地区啊。

来自国际能源机构的工作人员布莱恩·马瑟维（Brian Motherway）提到，“我们注意到家庭和大楼中的空调制冷需求开始迅速增长。”这不仅仅是因为气温上升，而是因为收入上升，这些国家最有可能受到全球变暖的影响。未来30年内，中国、印度和印度尼西亚的空调数量的预期增长量将会占该地区的一半。

说了这么多，本文当然不是想让大家放弃空调，回到电风扇甚至手摇扇子的时代。科学家和科技公司正努力研发更加高效的冷却系统。

能代替空调的“续命工具”

斯坦福大学的研究人员开发了一种使用尖端材料和“纳米光子学”的降温系统，名为SkyCool Systems。他们发明了一种超薄的高反射材料，即使在陽光直射下也能散发热量，让红外线、热能以一定的波长通过地球大气层滑入太空，而不是被这些材料吸收。

在试验中，研究人员将水管铺在用这种材料做成的板子下面。水流经水管时，这些板子能让水降温，平均冷却到低于室外空气温度几摄氏度。如此一来，这些水就可以用来冷却建筑物。

最重要的是，在整个冷却过程中，完全不需要消耗一度电。目前，研究人员已经搭好了SkyCool Systems，正在试图让这项技术商业化，真正地走进每栋高楼大厦。

电费太贵，需要更高效的空调

代替空调的方法要实现可能还有点远。但用空调的耗电量也让很多人纠结电费问题。中佛罗里达大学（UFC）太阳能中心的研究人员丹尼·帕克（Danny Parker）提供了另一种当前可行的技术，丹尼·帕克（Danny Parker）和他的同事们花了多年时间试图找到使空调和供暖系统更高效的方法。例如，在2016，他们发现通过水蒸发冷却的设备可以连接到传统的空调外机上，来供给温度更低的空气。

这意味着常规外机组本身不必耗太多电，就能让进入室内的空气温度冷却。经过计算，他们发现，在欧洲的多个气候环境中，这样的系统可以让冷却效率提高30%到50%。

此外，通过改进空调本身来提高能效的还有很多。例如三星开发的“无风”技术，它可以将冷空气一点一点地推进室内，无需耗电量高的风扇不断地高速吹送，一旦达到所需温度，就会自动停止。该公司表示，这种冷却技术比传统空调的效率高32%。

目前，市场上已经有许多更加高效的空调，最常见的就是变频空调。这些基于周围空气温度的传感器读数来调节冷却的强度。

这些机器上都安装了传感器，用来读取周围空气的温度，并以此来调整制冷速度。一个15平方米的房间，变频空调比定频式调温速度快6～10分钟。达到设定温度后，变频空调又能以远远低于定频空调的功率低速运转，调节并维持恒温状态。

帕克说：“这些空调虽然没有全速运转，但制冷效率非常高。”然而即便这种空调能省电，但并未受到多大欢迎。布莱恩·马瑟维（Brian Motherway）说，人们可能不想花更多的钱去买变频空调。

除了改造空调技术本身外，一些管理空调使用的方法也可以更有效地节约能源。

例如，智能恒温器生产商塔多（Tado）的“Smart AC Contro”是一个可以通过手机应用程序控制的遥控器，当人们离开房间时，它可以自动关闭空调。它还能根据在线天气预报修改房间内的调温速度。塔多声称，这种智能模式管理室内温度，可以减少40%的能源消耗。当然，如果所有的电力消耗都是由可再生能源提供，那么对空调系统的需求量再高也能接受。

让空调用上玻璃发的电

用新的降温系统替代空调，或是增加空调的运转效率都是围着空调找解决方法，换一种思路也许能更好地解决问题。使用空调时间最长，数量最多的并不是家庭，而是各类办公大楼摩天大厦。数据显示，办公大楼占美国电力使用量的75%，能源使用总量的40%。这些大楼的用电都是外部提供的。如果能够实现自给自足，那么将会节省大量能源。比如让大楼玻璃的外墙能够发电。

位于科罗拉多的美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory ）最近开发了一个解决方案，把窗户变成太阳能电池板。过去，材料科学家在窗户玻璃中嵌入了光吸收膜。这些膜只能吸收部分的紫外线和红外线，因此太阳能窗户往往有一种红色或棕色的色调。而新型的太阳能窗技术几乎完全吸收了不可见的紫外线（UV）或红外光，让玻璃变得透明的同时，也降低了室内温度，同时还能将吸收的能量转换为电能。该实验室的太阳能专家兰斯·韦乐（Lance Wheeler）说，装上这种窗户的大楼有可能实现自给自足的用电。

大多数太阳能电池，如工业中大量使用的标准晶体硅电池，为了使其效率最大化，牺牲透明度。将阳光中的能量转化为电能的百分比，表现最好的硅电池其效率能达到25%。另一种不透明材料钙钛矿做成的太阳能电池能达到的最高效率为22%。钙钛矿不仅比硅便宜，而且还可以通过调整化学配方来调节吸收特定频率的光。

近日，由密歇根州立大学的化学工程师理查德·伦特（Richard Lunt）领导的一个小组报告了一种新型紫外吸收钙钛矿太阳能窗，其能量转化效率为0.5%，虽然效率不高。但伦特介绍，这种窗户还有另一个的特点，它的玻璃可以根据室外光线的强弱来自动调节玻璃的亮度，在白天的高温下阻止强光进入室内，从而减少建筑物对空调的需求。

理查德·伦特（Richard Lunt）相信，未来几年内，他和团队能将这个窗户的电能转化率提高到4%。如果能达到这一效率，就能满足建筑物的照明和空调的电力需求。

去年，理查德·伦特（Richard Lunt）的团队利用有机半导体和金属的“有机”光伏薄膜制成了紫外和红外吸收效率高达5%的透明电池。理查德·伦特（Richard Lunt）说，未来，这一效率可达到20%。同时仍然能保证电池几乎完全透明。

让太阳能窗透明还有一种方法，依赖于发光太阳能聚光器吸收紫外线和红外频率的光，并以传统太阳能电池捕获的波长重新发射。再发射的光被集中并横向分流，通过玻璃，嵌入到窗框中的太阳能电池条中。根据美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的化学家维克特·克里莫（Victor Klimov）团队今年一月在《自然光子学》杂志上发表文章，目前利用这种技术的窗户的电能转化效率已经达到了3.1%。

去年，美国能源部奖励来自加州圣巴巴拉的下一代能源技术（Next Energy Technologies）公司250万美元，以完善其半透明有机太阳能电池窗。该公司生产的太阳能电池窗户的电能转化率已经达到7%，能吸收一半的入射阳光。與透明玻璃相比，玻璃会因此变暗，但是因为它们吸收光谱中所有种类的光，而不是特定的频率的光，所以它们不会带上不好看的红色或褐色色调。

事实上这种借助太阳能发电的玻璃国内也有。位于北京通州的国家大剧院舞美基地的艺术交流楼安装的就是光伏玻璃，所产生的光伏发电除了可供给舞美基地使用外，还可以向国家电网输送剩余电能。此外位于成都的国内第一条碲化镉薄膜发电玻璃生产线也于去年开工，生产的单片发电玻璃的光电转化率能达到17.8%、年发电260度左右。

总体来说，太阳能发电玻璃的技术目前还处于不断改进中。一个关键问题是毒性：许多太阳能窗技术含有少量有毒物质，当玻璃破裂时，毒物就可能外漏。此外，这些技术也必须足够耐用，至少要有几十年的寿命，能达到建筑业的标准要求。解决了这些问题，发电玻璃的大面积商业落地也就不远了。