Климатизация от слънцето

Ефективни ли са технологиите за използване на слънчевата енергия за захранване на системи за климатизация?

Всеизвестно е, че слънцето топли. Съществуват и технологии, чрез които енергията на слънцето би могла да разхлажда. Те не са широко известни и масово използвани. Дори някои от решенията все още са на експериментален етап. Използването на слънчевата енергия за производство на топла вода за отопление и битово горещо водоснабдяване е добре познато, наложило се и широко използвано решение. За разлика от него, възможността слънчевата енергия да се оползотворява за производство на студ за климатизация на сгради е сравнително непозната не само у нас, но и в Европа. Разбира се, технологиите за енергийно преобразуване на енергията от слънцето в студ са твърде примамливи като възможности.

Горещите летни месеци, освен че са периодът от годината с най-висок интензитет на слънчевата радиация, са съответно и времето, в което климатичната инсталация е най-необходима. На всички ни е добре известно, че без климатична система по време на летния сезон в една сграда трудно се поддържа комфортен микроклимат. А без добро топлинно самочувствие на хората е невъзможно да се постигне висока производителност на труда или да се почива пълноценно.

Възможност за намаляване на енергийните разходи
Възможността една климатична система да се захранва от слънцето крие сериозни предпоставки не само да поддържа благоприятен микроклимат в помещенията, но и намали енергийните разходи. На практика силното лятно слънце, което загрява сградите, би могло да се използва във функцията на основен енергиен източник за климатика.
Именно затова, като продължение на поредицата статии, публикувани в сп. Технологичен дом, посветени на възможностите за оползотворяване на енергията от възобновяеми енергийни източници, в настоящия брой ще “хвърлим светлина” върху принципа на работа на системите за климатизация, захранвани със слънчева енергия.

Технологията е екологосъобразна
Оползотворяването на слънчевата енергия за производство на “студ” се базира на комбинацията между слънчеви колектори и сорбционна хладилна машина, работеща с топлинна енергия, а не с електрическа енергия. В слънчевите колектори се загрява вода, с която се захранва хладилната машина. Следователно, при използване на слънчевата енергия за охлаждане на сградите, климатичните системи с водно охлаждане или вентилационните системи могат да бъдат захранвани с топлина. Съответно, тя е произведена от слънчеви колектори. Необходимо условие за функционирането на системата е наличие на междинен акумулатор за месеците с най-интензивно слънчево греене. По този начин е възможно да се осигури съществена част от необходимата енергия за климатизацията на една сграда. Подобни системи позволяват и комбинация между климатична система с водно охлаждане и вентилационна система.
При наличие на подходящи условия, захранваните от слънцето климатични системи могат да бъдат разумна алтернатива на традиционно използваните инсталации. Допълнително тяхно предимство е фактът, че работата им не е свързана с използване на вредни за околната среда хладилни агенти. Климатичните системи, захранвани от слънцето, използват вода във функцията на хладилен агент. Също така те не оказват влияние и върху емисиите от CO2, което ги причислява към екологосъобразните технологии.

Как работи соларната климатични система?
Принципът на действие на захранваните с топлинна енергия хладилни машини се основава на термохимичните сорбционни процеси - абсорбция и десорбция. Известно е, че абсорбцията е процес на поглъщане на газове или пари от течности, а адсорбцията - процес, при който повърхността на твърди тела (адсорбенти) поглъща един или няколко компонента от газова смес или от разтвор. Като сорбент обикновено се използва силикагел - субстанция, която се характеризира с голяма влагопоглъщаща способност. Топлината, получавана от соларния източник, се използва за загряване на силикагела, вследствие на което от него се отнема влагата. След изсушаването или десорбцията процесът може да се повтори в обратната посока. При подаване на водни пари, те се поглъщат от силикагела, като този адсорбционен процес протича с отделянето на топлина.

Принцип на работа на абсорбционни хладилни машини
При сорбционните хладилни машини за осъществяване на процеса в системата се подвежда топлина, а не механична енергия. Функционирането на абсорбционите хладилни машини се основава на прилагането на бинерна система. Използват се две вещества - едното е работно тяло, наричано още хладилен агент, и абсорбент. Обикновено работното вещество е вода, а сорбентът е воден разтвор на литиев бромид. Принципът на действие на абсорбционните хладилни машини се основава на способността на абсорбента да поглъща водни пари с по-ниска температура от температурата на разтвора. Абсорбционните охлаждащи машини с течен сорбент (вода-литиев бромид) често работят с помощта на допълнителен източник на топлинна и електроенергия. Наложило се решение в практиката е комбинирането им с когенерационни инсталации. Приложението на този вид машини в климатични инсталации, оползотворяващи слънчева енергия, е свързано с използването на топлина, произвеждана от слънчеви колектори. Счита се, че за осигуряване на необходимата за работата на агрегата топлинна енергия е по-подходящо да се използват вакуумнотръбни слънчеви колектори (б.ред. характерно за тях е, че работят с температура по-висока от 80 °C).
Охладителният ефект при абсорбционните хладилни машини (фиг. 1) се основава на изпарение на хладилният агент (вода) в изпарителя при много ниско налягане. Парите постъпват в абсорбера, където се абсорбират от H2O/LiBr разтвор. Топлината на абсорбция се отдава на охлаждащата вода. От абсорбера разтворът постъпва в генератора, където част от хладилния агент се изпарява. Процесът протича при високо налягане и с подвеждане на топлина (топла вода). Парите на хладилния агент напускат генератора и попадат в кондензатора, отново при високо налягане, където кондензират и отдават топлина. След кондензатора хладилният агент попада отново в изпарителя и процесът стартира отново.

Специфики на адсорбционни хладилни машини
При адсорбционните хладилни машини сорбентът е твърдо вещество. Съществуващите системи работят предимно с вода като хладилен агент и силикагел като сорбент. Адсорбционната хладилна машина (фиг. 2) съдържа два адсорбера, един изпарител и един кондензатор. Едната сорбционна камера (1) изпълнява функцията на регенератор. В нея сорбентът се регенерира, използвайки топла вода от външен топлинен източник, в случая - топла вода, загрявана от слънчев колектор. При увеличаване на налягането парите кондензират. През бътерфлай вентил водата се подава към изпарителя. Във втората камера, сорбентът (силикагел) адсорбира подаваните от изпарителя водни пари с ниско налягане и температура, като процеса протича с отделянето на топлина.
При адсорбционните хладилни системи работната температура е в диапазона 60 - 95 °С. За да се регенерира достатъчно количество топлинна енергия, произведена от слънцето, е подходящо използването както на вакуумнотръбни, така и на плоски колектори. Допълнително към системата могат да се включат топлинен резервоар за акумулиране на топлината от слънчевите колектори и студен резервоар, който функционира като буферен съд при краткосрочни колебания в подаването на загрята вода. През по-студените месеци от годината слънчевата енергия би могла да се използва за затопляне на подавания въздух, като по този начин се намаляват разходите за отопление.

Видове сорбционни системи
Сорбционните охладителни процеси започнаха да се използват по-широко едва през последните 10-20 години, въпреки че като принцип на работа са добре познати от много време преди този период. Принципно ограничение на приложимостта им по отношение на климатичните условия няма. Условие за гарантиране на енергийно-ефективната им работа е наличие на икономически изгодна топлинна енергия. Използването на когенератор е едно от най-често срещаните решения, с което се постигат сравнително добри резултати. Очакванията на експертите за постигане на висока ефективност на комбинацията - сорбционна хладилна машина и соларна система за производство на топла вода, са още по-големи. За особено перспективни се считат сорбционните хладилни машини с отворен контур.
Известно е, че сорбционните системи се класифицират в зависимост от вида на контура на хладилния агент. Според този критерий, системите са два основни вида - с отворен и със затворен контур. Характерна за системите с отворен контур е възможността да се поддържат всички предварително зададени параметри на микроклимата, тъй като те осигуряват охладен и овлажнен въздух, в съответствие с изискванията за постигане на комфортен микроклимат. Използваният хладилен агент е вода, която е в директен контакт с атмосферата. От тези системи по-добре познати са системите за охлаждане с вграден изсушител на въздуха, работещи с ротационен изсушител с твърд сорбент.
Към затворените системи се отнасят чилърите, захранвани с топлинна енергия. Те осигуряват охладена вода, която би могла да се използва във въздухообработващи централи, предназначени за предварителна обработка (охлаждане, изсушаване) на подавания в помещенията въздух. Възможно е охладената вода да се използва и за охлаждане на помещенията. В момента на пазара се предлагат абсорбционни чилъри (най-широко разпространени) и адсорбционни чилъри (намиращи сравнително ограничено приложение).

Работа на сорбционна система с отворен контур
При сорбционните системи с отворен контур в ролята на хладилен агент се използва вода, която се намира в директен контакт с въздуха. Процесът на производство на студ представлява комбинация от изпарително охлаждане, съпроводено с изсушаване на въздуха, посредством влагоабсорбиращ материал. С цел реализация на описания процес се използва течност или твърдо тяло. Терминът “отворен контур” показва, че след получаване на охладителния ефект, хладилният агент се изхвърля от системата. На негово място постъпва нов хладилен агент. Затова и като хладилен агент се използва само вода.
За да се отнеме влагата от въздуха се залага на външен адиабатен изсушителен процес, протичащ благодарение на влагопоглъщащ материал, като силикагел или литиев хлорид, в бавно въртящо се сорбционно колело. Характерно за сорбционните процеси е, че при протичането им се отнема влагата от външния въздух. За целта той се подлага на предварително охлаждане в ротационен топлинен регенератор, след което се охлажда до температурата на въздуха в помещението чрез изпарение и овлажняване.
Принципна схема на работата на сорбционна климатична система, използваща енергия, която е произведена от слънчеви колектори, е показана на фигура 3. Топлината, получена от слънчевите колектори, се използва за изсушаване на сорбента. На фигурата са показани основните етапи на протичане на процеса при сорбционно охлаждане, а именно:
1 - 2 Сорбционно изсушаване на външния въздух с едновременно повишаване на температурата, благодарение на отделената в процеса на адсорбция топлина;
2 - 3 Охлаждане на въздуха в ротационния топлинен регенератор в противоток на изхвърляния въздух;
3 - 4 Последващо охлаждане на въздуха чрез изпарение и овлажняване. Постъпващият въздушен поток в сградата е с по-ниска температура и по-малко водни пари от външния въздух;
4 - 5 Загряване на въздуха и овлажняване, ако е необходимо;
5 - 6 Намаляване на температурата на изхвърляния от сградата въздух чрез изпарително охлаждане в овлажнителя;
6 - 7 Загряване на изхвърляния въздух в противоток на постъпващия поток в ротационния топлинен регенератор;
7 - 8 Допълнително загряване на изхвърляния въздух с помощта на външен източник на топлина, например соларна отоплителна система;
8 - 9 Регенерация на сорбционния ротор чрез десорбция на вода.
 

Системи с течен адсорбент
Системите с течен адсорбент са сравнително ново техническо решение. При тях като сорбционен материал се използва разтвор на вода и литиев хлорид.
Тези системи се отличават с няколко съществени предимства. Чрез тях се постига по-добро изсушаване на въздуха при стойности на работната температура, характерни за твърдите сорбенти. Също така системите с течен адсорбент предлагат по-големи възможности за енергиен запас, посредством съхраняване на концентриран разтвор. На посочената технология се възлагат сериозни надежди за широко използване в бъдеще време, като възможност за оползотворяване на слънчевата енергия за климатизация.

Значителни разходи за производство на топлинна енергия
Характерно за климатизационните системи, оползотворяващи енергията на слънчевото греене, е, че ефективността им зависи от разходите за производство на необходимата топлинна енергия. Сред основните проблеми, възпрепятстващи масовото прилагане на тези системи, са сравнително по-високите разходи за получаване на топлина от слънцето в сравнение с топлинната енергия, произвеждана от системите с изкопаеми горива и дори с инсталациите, захранвани с отпадна топлина. Според редица специалисти в областта, все още не е възможно да се постигне устойчива във времето икономическа ефективност на климатичните системи, работещи съвместно със слънчеви колектори. Затова и системите, описани в статията, все още не се прилагат широко.

Ефективността им зависи от мощността на соларната система
От друга страна, очакваното повишаване на цената на електроенергията в дългосрочен план вероятно ще наклони везните в полза на охлаждащите системи с енергия от слънцето. В сравнение с конвенционалните климатични системи, при топлинно захранваните охладителни процеси (абсорбция/десорбция), необходимата електроенергия е едва една четвърт от необходимата за конвенционалните. Характерно за сорбционното охлаждане е, че разходите за електроенергия са една втора.
Според специалисти, ефективността на системата до голяма степен зависи от мощността на соларната инсталация. По-висока ефективност би могла да се постигне, ако се изпълнят препоръчителните изисквания за висока изходна мощност на соларната инсталация. Важно условие е и системата да доставя и енергия за отопление. Сред факторите, които могат да допринесат за масовото приложение на тези системи са и инвестициите в посока повишаване на енергийната им ефективност.

Уважаеми читатели, очакваме коментарите и допълненията ви по темата за захранване на климатични системи със слънчева енергия.