Охлаждение с использованием солнечной энергии

С. Михненко

Рекордные летние температуры, повсеместно характерные в последние годы, заставляют все больше тратиться на кондиционирование помещений – и на технику, и на энергию. Поэтому охлаждение с помощью солнечной энергии приобретает все большую популярность и экономическую обоснованность

Вопрос интенсивного летнего охлаждения помещений становится все более актуальным, причем он возникает теперь и в тех регионах, где раньше этой проблемы не было. На охлаждение помещений теперь тратится намного больше энергии, чем всего несколько лет тому назад. Поэтому использование солнечной энергии для целей охлаждения помещений – перспективная идея, набирающая популярность и воплощающаяся в разных технических решениях.

Солнечное охлаждение имеет ряд преимуществ по сравнению с солнечным отоплением. В отличие от других способов применения солнечной энергии, наибольшая потребность в охлаждении возникает, когда солнечная радиация тоже наиболее интенсивна, то есть в летнее время года. Сейчас нередки сообщения о веерных отключениях энергосистем из-за перегрузки от включенных кондиционеров. Это аргумент в пользу децентрализации источников генерации энергии и развития распределенных энергосистем. Также очень продуктивна идея не только охлаждения от солнца, но и создания систем, в которых солнечное отопление или
нагрев воды для ГВС скомбинирован с солнечным охлаждением.

Концепции солнечного охлаждения

Сейчас наибольшее распространение получили четыре основных способа солнечного охлаждения.

Способ, который напрашивается в первую очередь, – это использование электричества, полученного от солнечных панелей, для питания энергией обычных кондиционеров. Кроме того, появились специализированные приборы (например, от DAIKIN, LG, Mitsubishi, Toshiba, Sanyo), получающие энергию от «своих» фотовольтаических панелей, см. рис. 1. Такое устройство можно применять автономно, даже если само жилище не оснащено солнечными панелями.

Рис. 1. Автономный гибридный кондиционер с
фотоэлектрическими солнечными панелями

Энергии для кондиционирования требуется больше именно в жаркое время года, как раз, когда инсоляция наиболее велика. Таким образом, пиковое потребление холода совпадает с пиками производительности как солнечных фотовольтаических, так и фототермальных модулей. Комбинируя солнечную тепловую энергию и современную абсорбционную и адсорбционные технологии или тепловые насосы, можно использовать тепло для охлаждения зданий.

Однако КПД современных коммерческих фотовольтаических панелей не превышает 25%, т. е. общая эффективность преобразования солнечной энергии сначала в электрическую, а затем в тепловую, составляет не более 16–18%. Это в целом недостаточно эффективно и потребует больших затрат на технику. Поэтому считается, что фотовольтаические кондиционеры уступают в эффективности кондиционерам с непосредственным использованием тепловой энергии.

Тепловые солнечные установки

Солнечные тепловые холодильные установки потребляют незначительное количество электроэнергии, которая затрачивается лишь на питание приводов насосов или для питания управляющей электроники.

Принцип солнечного охлаждения похож на традиционное охлаждение. Снижение температуры происходит путем испарения какого-либо хладагента, который поглощает тепло и охлаждает среду вокруг себя. В термальных солнечных охладителях вместо электрической энергии в качестве главной движущей силы процесса охлаждения используется тепловая энергия от Солнца. Преимущество здесь в том, что по сравнению с обычными системами охлаждения может быть достигнута огромная экономия электроэнергии. Кроме того, для получения холода в качестве хладагента может использоваться чистая вода.

Преобразование солнечного излучения в охлаждение теплоносителя или для кондиционирования воздуха (т. е. с изменением и других параметров, кроме температуры) обычно осуществляется следующими способами:

1. Процесс термического превращения тепла с открытым циклом:

• Жидкий абсорбер, обычно – вода.
• Твердый абсорбер, обычно – силикагель.

2. Процесс термического превращения тепла с замкнутым циклом:

• Процесс жидкостной абсорбции (вода/бромид лития или вода/аммиак).
• Твердотельная адсорбция с использованием силикагелей, солей или активированным углем с аммиаком.

3. Термомеханический холодильный процесс:

• Компрессионное сжатие паров.
• Цикл Рэнкина.

Солнечное охлаждение с открытым циклом

Система данного типа – это (влажная или сухая) система понижения влажности воздуха, которая использует в качестве хладагента либо твердое вещество, либо жидкость, находящуюся в прямом контакте с воздухом. Используется термин «открытый цикл», поскольку хладагент удаляется из системы после того, как он вступил в непосредственный контакт с кондиционером. В этом типе системы цикл солнечного теплового охлаждения состоит из охлаждения испарением с осушением воздуха через десикант, и поэтому можно использовать твердые или жидкие осушающие материалы.

В «сухих» или «твердотельных» системах в качестве хладагента используют воду, а в качестве водопоглощающего материала – силикагель. Для непрерывной работы силикагель перемещается механическим способом из зоны поглощения влаги в зону восстановления работоспособности (нагрева), например, вращающимися барабанами.

В «мокрых» или «жидкостных» системах в качестве осушителя используется пара вода/литий-бромид, а охлаждение абсорбционного холодильника обеспечивается в открытой мокрой градирне, см. рис. 2. Это самый распространенный тип солнечных охладителей, имеющий намного большую эффективность, чем системы с солнечными фотовольтаическими панелями.

Рис. 2. Основная схема абсорбционного охладителя с
солнечными коллекторами

Принцип действия абсорбционных охладителей – конденсация хладагента за счет т. н. «температурного сгущения». Хладагент абсорбируется («сгущается») в системе при низкой температуре, а при высоких температурах – испаряется (десорбируется). Главная особенность проектирования таких машин в том, что абсорбционная холодильная машина должна быть в постоянной готовности поглощать солнечное тепло, то есть стагнация гелиосистемы и ее периодическое отключение тут недопустимо.

Солнечные коллекторы должны работать при температурах, на 8–14°С выше рабочей температуры абсорбционной установки.

Солнечное охлаждение с закрытым циклом

Закрытый цикл означает, что производится охлажденная вода, которая может использоваться в сочетании с любым оборудованием для кондиционирования воздуха, таким, как блок воздухоподготовки, системы фанкойлов (обратимая система нагревания/охлаждения) или фэн-чиллеров (отдельная система охлаждения), или путем прокачивания холодной воды через охлаждающие трубки в полах, стенах или потолках здания.

В процессе замкнутого цикла охлаждающее вещество не находится в непосредственном контакте с окружающей его средой, отсюда и название системы. Хладоноситель циркулирует внутри замкнутой системы труб и используется повторно. Прежде чем подаваться в кондиционируемое пространство, отфильтрованный воздух охлаждается и обрабатывается в осушителе, а затем проходит через несколько дополнительных ступеней охлаждения. Сорбент регенерируется окружающим или вытяжным воздухом, нагретым до требуемой температуры солнечным источником тепла.

Ядро замкнутых систем солнечного теплового охлаждения – т. н. абсорбционные чиллеры, поскольку они удаляют тепло из циркулирующей жидкости либо путем сжатия пара, либо путем цикла абсорбционного охлаждения. Необходимую входную тепловую энергию для этого обеспечивают панели солнечных коллекторов, и чиллеры (охладители) используют горячую воду, поступающую от них.

Для нагрева теплоносителя используются стандартные плоские солнечные коллекторы, но для повышения эффективности в последнее время для солнечных охладителей применяют вакуумные трубчатые коллекторы. Размер и выбор солнечного коллектора определяется рабочей температурой абсорбционного чиллера, а также тепловой энергией, доступной в данной местности в виде солнечного излучения.

Вакуумные солнечные коллекторы, см. рис. 3, обладают высокой поглощающей способностью тепла из-за трех- четырехслойного теплопоглощающего покрытия (на основе нитрита меди, алюминия и железа), нанесенного на внутреннюю поверхность. Данное покрытие поглощает солнечное излучение во всем спектре солнечной радиации от УФ (прямая инсоляция от яркого солнца) до ИК диапазона (тепловая компонента излучения, например в пасмурную и дождливую погоду) и резко увеличивает общий КПД солнечной системы охлаждения. Слой вакуума между внутренними и наружными трубками препятствует потерям тепла из коллектора наружу. Энергопотребность холодильной машины с вакуумными коллекторами в некоторых случаях покрывается солнечной энергией на 98%.

Рис. 3. Вакуумный коллектор

Пассивное солнечное охлаждение

Помимо использования активных солнечных охладителей имеются пассивные конструкции для солнечного охлаждения (рис. 4). Пассивная солнечная система автоматически генерирует поток охлаждающего воздуха посредством естественной конвекции. Чтобы сгладить экстремальные суточные колебания температуры во многих зданиях по всему миру применяются т. н. стены Тромба (см. «Устойчивый дизайн HVAC») или другие теплопоглощающие конструкции. Например, для пассивного охлаждения применяются водоемы, расположенные на плоской крыше, или «зеленые крыши», покрытые слоем грунта с высаженной на нем растительностью, с капельным поливом (пассивное охлаждение испарением).

Рис. 4. «Зеленая» крыша – пассивное охлаждение испарением

Комбинирование пассивных и активных технологий солнечного охлаждения позволяет наиболее полно использовать потенциал локального расположения жилища – ориентация по сторонам света, местная инсоляция и число солнечных дней в году, наличие природных источников охлаждения (водоем, грунтовые воды) и естественных аккумуляторов (стабилизаторов) тепловой энергии (массивная подземная каменная кладка, скальный грунт) и т. п. Совместное проектирование пассивных и активных устройств в единую систему позволяет существенно сократить общие затраты на техническую часть и снизить установленную мощность активных агрегатов, но при этом достичь установленных параметров. Это существенно повышает общую надежность, сбалансированность и устойчивость всей системы. Кроме того, совместное использование пассивных и активных технологий дает возможность реализовать систему, которая будет выполнять охлаждение летом и отопление зимой с использованием по сути одних и тех же технических устройств. Такой комплексный подход позволит сделать солнечное охлаждение (плюс отопление) менее затратным и общедоступным.

Охлаждение помещений с помощью активных и пассивных солнечных технологий – общемировая тенденция, которая ввиду очевидных климатических изменений имеет огромную перспективу технического развития и широкого применения.

Источник: https://aw-therm.com.ua/solnechnoe-ohlazhdenie/