一组令人惊讶的材料可能很快有助于制造更高效的空调，在炎热的日子里也不会给电网带来负担。
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随着全球极端高温不断打破纪录，未来几十年空调的电力需求预计将增加两倍。根据国际能源署的数据，2016 年至 2050 年间，该数字将增加约 4000 太瓦时，与 2022 年整个美国电网的电力需求大致相同。
这就是为什么发明更高效空调的竞赛变得越来越紧迫。虽然一些公司专注于改进现有设计，但其他公司则在探索使用一种名为“干燥剂”材料的全新系统。这些系统可以更有效地冷却，即使在极端高温和湿度下，也可以减少电网上的压力。
典型的空调通过循环泵送制冷剂并通过热交换器来冷却室内空间，吸收室内空气中的热量并将其释放到室外。热泵的工作方式相同，要么运行方向相反，要么在既能加热又能冷却的可逆系统中运行。
非营利性能源智库落基山研究所的无碳建筑项目经理安基特·卡兰基（Ankit Kalanki）说，这种被称为蒸汽压缩的方法已经有 100 多年的历史了，自发明以来，其基本设计没有太大变化。泵送制冷剂并将其压缩到足以将热量输送到室外需要大量能量，尤其是在温度很高时。
（来源：AI 生成）
蒸汽压缩系统还要同时处理湿度和热量，这是另一个缺点。卡兰基说，保持室内的舒适与保持低湿度环境有很大关系，但空调必须冷却空气才能将湿气排出。他说，如果没有设计好的湿度控制系统，建筑物往往会“过冷”，这会成为巨大的能源负担。
分别处理除湿和制冷的系统可以用更少的能源保持建筑内部温度舒适，并在不同的环境中具备更大的灵活性。越来越多的创业公司正寻求使用干燥剂来实现这一目标。
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干燥剂是吸收水分的材料，常见于新钱包和鞋子的包装盒里，一个小袋子装着二氧化硅珠，旨在使产品在运往世界各地时保持干燥。
其他类型的干燥剂可以添加到现有的空调设计中，从空气中吸收水分，并减少保持房间舒适所需的能源。2018 年，麻省理工学院（MIT）团队成立了公司 Transaera，它正在开发一种混合系统，该系统使用一种名为金属有机框架的材料。Transaera 的 CEO 索音·格拉玛（Sorin Grama）表示，将这些材料添加到基于蒸汽压缩的空调中，可以使该公司的系统比普通空调少消耗 35% 的能源。
但其他公司正在寻求在冷却系统中使用干燥剂，以完全取代传统的空调。例如，总部位于美国佛罗里达州的初创公司 Blue Frontier 正在使用液体干燥剂打造冷却系统。该公司的联合创始人兼首席技术官马特·蒂尔曼（Matt Tilghman）说，我们使用的材料的关键成分与普通干燥剂里面的硅胶珠不同，但这种比较是常见的。“我们经常看到这种比较，”他说。
Blue Frontier 的冷却技术依赖于浓度极高的盐溶液，而不是小的二氧化硅珠。盐溶液可以从空气中吸收水分。
以下是 Blue Frontier 的冷却系统的工作原理：首先，一股气流穿过一条通道，经过一层薄薄的干燥剂，将空气中的水分排出。接下来，已经干燥的空气经过一个蒸发冷却步骤，从而降低空气温度（基本上与汗液冷却皮肤的方式相同）。
在蒸发冷却步骤中，空气被分成两股流。一股空气穿过一层薄薄的水，这层水可以吸收能量并降低空气温度。这种较冷、潮湿的空气被用来冷却金属表面，而金属表面又从另一股仍然干燥的空气中吸收热量。潮湿的空气在外面，凉爽干燥的空气被吹进大楼。
蒸发是一种有效的冷却方法，用于低成本的空气冷却器（也称为沼气冷却器或蒸发冷却器），它可以比普通空调少用 80% 的电。这些设备通常会向空气中添加水分来冷却空气，只有在干燥的空气中才能工作，因此它们的使用通常仅限于干燥的环境，如美国西南部。
蒂尔曼说，通过将蒸发冷却与干燥剂相结合，Blue Frontier 的系统几乎可以在任何气候下工作。它的运作方式可以进行调整，以应对天气或恒温器设置点的变化，改变冷却和除湿之间的平衡，这可能有助于进一步提高效率。蒂尔曼说，根据环境的不同，与传统空调系统相比，该公司的方法应该能够将年用电量减少 50% 至 80%。
如履薄冰
如今，液体干燥剂有时被用于对仓库或工厂进行除湿，这些仓库或工厂需要严格控制空气中的水分，例如制药或电子制造业。但它们并没有被广泛用于冷却，部分原因是它们价格昂贵。比如一种行业常见的材料氯化锂，由于锂离子电池的需求而受到价格上涨和供应限制。这些材料也可能具有腐蚀性。蒂尔曼说，Blue Frontier 正在使用一种新的干燥剂来解决这些问题。
广泛使用干燥剂冷却的最大障碍之一是需要一种有效地重新填充材料的方法。干燥剂就像海绵，需要拧干或放一块新的，因为它们能吸收的水有限。
因此，除了干燥和冷却空气的部件外，干燥剂冷却系统还需要一个可以再生干燥剂的部分，将水分释放到另一股空气中，然后再释放到外面。
大多数干燥剂可以通过加热再生，加热会从材料中释放水分，但这一步骤可能是能源密集型的，通常涉及使用化石燃料锅炉系统。
Blue Frontier 使用热泵来再生干燥剂。蒂尔曼说，热泵增加了能源需求，但虽然冷却系统可以在炎热的夏日持续运行，但再生系统可以在电网压力较小、电价较低的晚上或夜间运行。抵消再生消耗的能源，意味着 Blue Frontier 的系统可以帮助将峰值电力需求减少 80% 至 90%。
其他初创公司正在寻求完全摆脱对热量的需求。总部位于美国波士顿的 Zephyr 公司希望使用膜过滤液体干燥剂中的水从而使其再生，类似于海水淡化设施中从水中提取盐的过程。
Zephyr 在 7 月份展示了其系统的部件，并计划在今年晚些时候组装一个完整的实验室规模的冷却系统原型。Zephyr 的联合创始人兼首席技术官雅各布·米勒（Jacob Miller）表示，与目前市场上最好的蒸汽压缩空调相比，其干燥剂冷却设备的用电量可以减少约 45%。
蒂尔曼表示，Blue Frontier 有两个演示用冷却系统正在运行，一个在佛罗里达州，一个位于加拿大、该公司计划在 2023 年底和 2024 年再安装几十个。
蒂尔曼说，两家初创公司都首先专注于大型商业建筑的系统，但最终这些系统可以适用于房屋甚至个人公寓。他补充道，Blue Frontier 的第一个系统一开始将比现有的空调更贵，尽管它们应该能够在三到五年内通过节能降低的开销来弥补。
获得高效的冷却技术对于帮助更多的人在安全而舒适的环境中生活和工作（而不会使电网过载）至关重要。卡兰基说：“如果你看看世界变暖，气温上升的程度，人们需要降温的能力。这不仅仅是一个热舒适或提高生产力的问题，它现在也是一个公平的问题。”
作者简介：凯茜·克龙哈特（Casey Crownhart），是《麻省理工科技评论》的气候记者，专注于可再生能源、交通以及技术如何应对气候变化。她还曾是一名自由科学和环境记者，为 Popular Science 和 Atlas Obscura 等媒体撰稿。在从事新闻工作之前，她是一名材料科学的研究员。
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