想要調節一座城市的溫度：二氧化碳來幫忙

材料牛注：眾所周知，二氧化碳通常用作工業液態制冷劑，但是其對于城市建筑的降溫和加熱效果也同樣明顯。近日，瑞士聯邦理工學院的科學家們利用循環網絡模型對這一假說進行了分析。

二氧化碳是主要的溫室氣體，但是它同時又能減輕溫室效應。在超市中，二氧化碳通常被用作“清潔”液態制冷劑，而在一座城市的熱量循環中，二氧化碳則被證實是一種高效的在建筑物中傳遞熱量的工具。瑞士聯邦理工學院的科學家們在對于一個日內瓦商業區進行了建模和模擬后，展示出了利用二氧化碳的加熱和冷卻的分布系統，這種系統可以最終實現80%的節能效果。

在歐洲，建筑部門通常占有社會能源的40%，而且還產生了大約三分之一的溫室氣體排放量。瑞士就是其中的一個典型代表。在日內瓦和洛桑，大量的建筑需要滿足不同類型的熱循環要求。例如，為了達到一個舒適的溫度，水循環的溫度通過散熱器的調節后必須達到至少50攝氏度，而地面的溫度僅僅只需30攝氏度的。除此以外，在炎熱的夏天，當超市的空調全速運轉時，這家超市附近的電廠中就有著一臺提供能量的鍋爐釋放著熱量，而這些熱量可能已經擴散到這家超市的所有樓層。這其實是一種嚴重的能源浪費。

Samuel Henchoz是一位在IPESE(Industrial Process and Energy Systems Engineering Group)工作的工程師，他代表IPESE集團與能源中心合作來共同解決這個問題。在Henchoz的構想中，他針對飽和液態制冷劑分析后得到了一種全新的設計理念，即對二氧化碳在建筑間的循環系統加壓來提高性能。正如一臺冰箱，液態二氧化碳通過熱交換器蒸發達到制冷的目的。而當氣態二氧化碳在熱交換器中液化時，可以釋放熱量以達到加熱的目的。

收的回的能量

在 Henchoz設計的循環系統中，二氧化碳的循環是在15攝氏度左右進行的，這個溫度正好是介于其飽和液態以及氣態之間。同時，這個溫度也接近地面土壤的溫度，這樣會大大降低對絕緣管道的要求。因為沒有凍結的風險，管道甚至可以安放在人行道下面。此外，管道自身的直徑可以比其在水中小很多，這是因為氣體加壓后有著很高的能量密度，不會占有較大的體積。此外還有一個顯著地優點是，液態二氧化碳可以通過冷卻器的重新吸收熱量進行二次循環。

目前，這個系統的設計無疑是吸引人的。但是使用二氧化碳作為液態制冷劑在城市中使用，是否安全可靠、高效經濟還不得而知。Henchoz決定通過對日內瓦中心的區域分析模擬來進行評估。他采用了五種不同的流體制冷劑網絡模型進行模擬，并且比對能量利用效果和經濟效益。

看得見的利潤

通過模擬，他發現目前的循環系統中，使用的鍋爐和普通的冷卻裝置效果十分糟糕。此外，他觀察到的所有的可控因素都可以進行優化，從而最終實現百分之八十的節能。其中，最有價值的變量仍然使用二氧化碳作為傳熱流體，并且還可以將二氧化碳作為熱量調節的中樞。

這項設計系統前期需要27到35億的萬法郎的投資，但這個模型系統采用后的四到六年之后可以實現盈利。此外與冷水循環系統相比，系統的安全性和穩定性更好，但是缺點是價格比較昂貴。“和液態制冷劑相比，二氧化碳是天然的、廉價的不易燃而且無毒,”Henchoz說道，“但是它唯一的缺點是這種循環需要在50巴（1巴=100千帕）的壓力下進行，而通常采用瓦特為單位很難進行計量，需要官方進行統一標準”。

最后，該項目得到了瑞士科技創新委員會的融資，Henchoz與日內瓦的公用事業公司合作實驗并且測試了一個小型液體制冷劑循環網絡。測試主要目的在于檢測系統的穩定性。正如預期得到了良好的效果。同時驗證了系統可以通過集成電路進行控制。“這次測試鼓勵了我們研究二氧化碳城市循環網絡上的信心。”Henchoz表示道。

原文鏈接：Using CO2 for Heating and Cooling in Urban Areasg-and-cooling-urban-areas

感謝材料人編輯部楊洪期提供素材