Circa il 40% di tutta l'energia consumata dagli edifici in tutto il mondo viene utilizzata per il riscaldamento e il raffreddamento degli ambienti. Con il riscaldamento del clima, la crescita della popolazione e l'aumento del tenore di vita, soprattutto nelle calde e regioni umide del mondo in via di sviluppo:si prevede che il livello di raffreddamento e deumidificazione necessario per garantire il comfort e proteggere la salute umana aumenterà precipitosamente, spingendo verso l'alto la domanda globale di energia.

Molte discussioni si stanno ora concentrando sulla sostituzione dei gas serra frequentemente utilizzati come refrigeranti nei condizionatori d'aria di oggi. Ma un'altra preoccupazione urgente è che la maggior parte dei sistemi esistenti è estremamente inefficiente dal punto di vista energetico.

"Il motivo principale per cui sono inefficienti è che hanno due compiti da svolgere, "dice Leslie Norford, il George Macomber (1948) Professore di Gestione delle Costruzioni presso il Dipartimento di Architettura. "Hanno bisogno di abbassare la temperatura e rimuovere l'umidità, e fare entrambe le cose insieme richiede molta energia extra".

L'approccio standard alla deumidificazione consiste nel far scorrere l'acqua fredda attraverso i tubi all'interno di uno spazio dell'edificio. Se quell'acqua è più fredda della temperatura del punto di rugiada, il vapore acqueo nell'aria si condenserà sulle superfici esterne dei tubi. (Pensa alle gocce d'acqua che gocciolano su una lattina fredda su una calda, giornata umida.) In un sistema di condizionamento dell'aria, che l'acqua possa cadere fuori o, in un sistema di grandi dimensioni a servizio di un edificio, essere raccolti in un recipiente di raccolta.

Il problema è che far funzionare un refrigeratore per ottenere acqua così fredda richiede molta elettricità e l'acqua è molto più fredda del necessario per abbassare la temperatura nella stanza. Separare le due funzioni porta il risparmio energetico su due fronti. La rimozione dell'umidità dall'aria esterna introdotta nell'edificio richiede acqua fredda, ma molta meno di quella necessaria per rimuovere il calore dalle aree occupate. Fatto quel lavoro, far scorrere acqua fresca (non fredda) attraverso i tubi nel soffitto o nel pavimento manterrà una temperatura confortevole.

Un decennio fa, Norford e i suoi colleghi del Masdar Institute di Abu Dhabi hanno confermato i benefici energetici del mantenimento di temperature confortevoli utilizzando tubi dell'acqua fredda nella stanza, specialmente quando gli spazi interni sono preraffreddati di notte, quando l'elettricità è a buon mercato e l'aria esterna è fresca. Ma il processo di deumidificazione è rimasto inefficiente. La condensazione del vapore acqueo è intrinsecamente energivora, quindi i ricercatori avevano bisogno di trovare un altro modo per rimuovere l'umidità.

Prestito da sistemi di desalinizzazione

Due anni fa, un'alternativa promettente fu portata all'attenzione di Norford da John Lienhard, Abdul Latif Jameel Professore di ingegneria idraulica e meccanica del MIT. Lienhard è un collega di Norford al Center for Environmental Sensing and Modeling, un gruppo di ricerca presso la Singapore-MIT Alliance for Research and Technology. Lienhard stava lavorando a tecnologie efficienti dal punto di vista energetico per la desalinizzazione. Far bollire l'acqua di mare per far precipitare il sale richiede molta energia, quindi il gruppo di Lienhard stava cercando invece di usare membrane semipermeabili che lasciano passare le molecole d'acqua ma bloccano gli ioni di sale. Norford pensava che si potesse progettare una membrana simile che permettesse il passaggio delle molecole di vapore acqueo in modo che potessero essere separate da altre, molecole più grandi che compongono l'aria interna.

Quel concetto è diventato l'oggetto di un progetto intrapreso da due studenti laureati in ingegneria meccanica:Tianyi Chen, che stava lavorando con Norford sugli impatti dei flussi d'aria esterni sulle prestazioni energetiche degli edifici, e Omar Labban, che stava collaborando con Lienhard sull'utilizzo delle membrane nei sistemi di desalinizzazione. Gli studenti si sono incontrati in una classe di conversione energetica avanzata tenuta da Ahmed Ghoniem, il Ronald C. Crane ('72) Professore di Ingegneria Meccanica. In coppia per un progetto di classe, hanno identificato il condizionamento dell'aria come un argomento che attingerebbe alle rispettive aree di interesse di ricerca e utilizzerebbe la loro esperienza appena acquisita nella modellazione e analisi termodinamica.

Il loro primo compito è stato quello di sviluppare un modello termodinamico dei processi fondamentali coinvolti nel condizionamento dell'aria. Usando quel modello, hanno calcolato il minimo lavoro teorico necessario per ottenere la deumidificazione e il raffreddamento. Potrebbero quindi calcolare la cosiddetta efficienza del secondo principio di una data tecnologia, questo è, il rapporto tra il minimo teorico e il suo consumo energetico effettivo. Usando quella metrica come punto di riferimento, potrebbero svolgere un sistematico, confronto coerente di vari design in climi diversi.

Come punto di riferimento industriale per il confronto, hanno usato il coefficiente di prestazione (COP), una metrica che mostra quante unità di raffreddamento sono fornite per ogni unità di elettricità in ingresso. Il COP è utilizzato dai produttori di oggi, quindi potrebbe mostrare come potrebbero funzionare diversi progetti rispetto alle apparecchiature attuali. Per riferimento, Norford cita il COP dei sistemi disponibili in commercio compreso tra 5 e 7. "Ma i produttori sono costantemente alla ricerca di attrezzature migliori, quindi i pali per i concorrenti sono in continuo movimento, " lui dice.

La precedente ricerca di Norford aveva dimostrato che i tubi dell'acqua fredda nel soffitto o nel pavimento possono gestire in modo efficiente i carichi di raffreddamento interni, ovvero il calore proveniente dalle persone, computer, luce del sole, e così via. I ricercatori si sono quindi concentrati sulla rimozione di calore e umidità dall'aria esterna introdotta per la ventilazione.

Hanno iniziato esaminando le prestazioni di un condizionatore d'aria disponibile in commercio che utilizza il sistema di compressione del vapore standard (VCS) utilizzato nel secolo scorso. La loro analisi ha quantificato l'inefficienza di non separare il controllo della temperatura e dell'umidità. Ulteriore, ha individuato una delle principali fonti di tale inefficienza:il processo di condensazione. I loro risultati hanno mostrato che il sistema era meno efficiente in ambienti freddi, condizioni umide e migliorate man mano che le condizioni diventavano più calde e secche. Ma al suo meglio, utilizzava da cinque a dieci volte più energia del minimo teorico richiesto. Così, c'era una significativa opportunità di miglioramento.

Membrane e disidratanti

Per esplorare l'uso della tecnologia a membrana, i ricercatori hanno iniziato con un semplice sistema che incorporava una singola unità contenente una membrana. L'aria esterna entra nell'unità, e una pompa a vuoto tira il vapore acqueo al suo interno attraverso la membrana. La pompa quindi aumenta la pressione ai livelli ambientali in modo che il vapore acqueo diventi acqua liquida prima di essere espulso dal sistema. L'aria esterna non più umida passa dall'unità a membrana attraverso una serpentina di raffreddamento convenzionale ed entra nello spazio interno, fornendo aria fresca per la ventilazione e spingendo un po' più caldo, aria di scarico umida all'aperto.

Secondo la loro analisi, il sistema offre le migliori prestazioni in condizioni relativamente asciutte, ma anche in questo caso raggiunge un COP di soli 1,3, non abbastanza alto da competere con un sistema attuale. Il problema è che far funzionare la pompa per vuoto con rapporti di compressione elevati consuma molta energia.

Per aiutare a raffreddare il flusso d'aria in ingresso, i ricercatori hanno provato ad aggiungere uno scambiatore di calore per trasferire il calore dall'aria calda in ingresso all'aria fredda di scarico e un condensatore per trasformare il vapore acqueo catturato dall'unità a membrana in acqua fredda per la serpentina di raffreddamento. Questi cambiamenti hanno spinto il COP fino a 2,4, migliore ma non abbastanza alto.

I ricercatori hanno poi preso in considerazione le opzioni che utilizzano essiccanti, materiali che hanno una forte tendenza ad assorbire acqua e sono spesso imballati con prodotti di consumo per mantenerli asciutti. Negli impianti di condizionamento, un rivestimento essiccante è tipicamente montato su una ruota posizionata tra i flussi d'aria in entrata e in uscita. Mentre la ruota gira, una parte dell'essiccante passa prima attraverso l'aria in ingresso e ne assorbe l'umidità. Quindi passa attraverso l'aria di scarico riscaldata, che lo asciuga in modo che sia pronto ad assorbire più umidità al suo prossimo passaggio attraverso l'aria in ingresso.

I ricercatori hanno iniziato analizzando diversi sistemi che incorporano una ruota essiccante, ma i guadagni in COP sono stati limitati. Successivamente hanno provato a utilizzare insieme le tecnologie dell'essiccante e della membrana. In questo disegno, una ruota essiccante, uno scambiatore di umidità a membrana, e uno scambiatore di calore trasferiscono tutti l'umidità e il calore dall'aria in ingresso all'aria di scarico. Una serpentina di raffreddamento raffredda ulteriormente l'aria in ingresso prima che venga consegnata allo spazio interno. Una pompa di calore riscalda l'aria di scarico, che poi passa attraverso l'essiccante per asciugarlo e rigenerarlo per un uso continuato.

Questo complicato sistema "ibrido" produce un COP di 4 in un'ampia gamma di temperature e umidità. Ma non è ancora abbastanza alto per competere.

Sistema a due membrane

I ricercatori hanno quindi provato un nuovo sistema che omette la ruota essiccante ma include due unità a membrana, ottenendo un design relativamente semplice ma più speculativo degli altri. Il nuovo concetto chiave riguardava il destino del vapore acqueo nel flusso d'aria in entrata.

In questo sistema, una pompa a vuoto tira il vapore acqueo attraverso una membrana, ora chiamata unità membrana 1. Ma il vapore acqueo catturato viene quindi spinto attraverso la membrana nell'unità 2 e si unisce al flusso di aria di scarico, senza mai trasformarsi in acqua liquida. In questa disposizione, la pompa per vuoto deve solo garantire che la pressione del vapore sia maggiore sul lato a monte della membrana 2 che sul lato a valle in modo che il vapore acqueo venga spinto attraverso. Non è necessario aumentare la pressione a livelli ambientali, che condenserebbe il vapore acqueo, quindi il funzionamento della pompa del vuoto richiede meno lavoro. Questo nuovo approccio si traduce in un COP che può raggiungere fino a 10 e raggiunge un COP di 9 in molte combinazioni di temperatura e umidità.

Diverse opzioni per diverse città

Per la maggior parte dei sistemi analizzati, le prestazioni variano a seconda delle diverse combinazioni di temperatura ambiente e livello di umidità. Per indagare l'impatto pratico di tale variabilità, i ricercatori hanno esaminato le prestazioni dei sistemi selezionati in quattro città con climi diversi. In ogni caso, l'analisi ha assunto una temperatura esterna e un'umidità relativa medie estive.

Generalmente, i sistemi che hanno considerato hanno superato i VCS convenzionali che operano ai COP coerenti con la pratica corrente. Per esempio, a Dubai (che rappresenta un clima desertico tropicale), l'utilizzo del sistema ibrido a membrana con essiccante potrebbe ridurre il consumo di energia fino al 30% rispetto al VCS standard. A Las Vegas (un clima arido subtropicale), dove l'umidità è più bassa, un sistema a base di essiccante (senza la membrana) è l'opzione più efficiente, potenzialmente portando anche una riduzione del 30 per cento.

A New York (un clima umido subtropicale), tutti i disegni sembrano buoni, ma il sistema a base di essiccante dà il meglio di sé con una riduzione del 70% del consumo energetico complessivo. E a Singapore (un clima tropicale oceanico), il sistema essiccante e il sistema combinato membrana-essiccante funzionano ugualmente bene, con un potenziale risparmio fino al 40% e, dati i costi delle due opzioni, il sistema essiccante da solo emerge come la scelta migliore.

Presi insieme, i risultati dei ricercatori forniscono due messaggi chiave per ottenere un raffreddamento interno più efficiente in tutto il mondo. Primo, l'uso di membrane e disidratanti può aumentare l'efficienza del condizionatore d'aria, ma i veri guadagni in termini di prestazioni arrivano quando tali tecnologie sono incorporate in sistemi accuratamente progettati e integrati. E secondo, il clima locale e la disponibilità di risorse, sia energetiche che idriche, sono fattori critici da considerare quando si decide quale sistema di climatizzazione offrirà le migliori prestazioni in una determinata area del mondo.