Klimatyzacja słoneczna
Klimatyzacja słoneczna lub „klimatyzacja zasilana energią słoneczną” odnosi się do dowolnego systemu klimatyzacji (chłodzenia), który wykorzystuje energię słoneczną .
Można to osiągnąć poprzez pasywny projekt solarny, konwersję słonecznej energii cieplnej i konwersję fotowoltaiczną (światło słoneczne na energię elektryczną). Amerykańska ustawa Energy Independence and Security Act z 2007 r. stworzyła fundusze na lata 2008-2012 dla nowego programu badawczo-rozwojowego w zakresie klimatyzacji słonecznej, który powinien opracować i zademonstrować wiele nowych innowacji technologicznych i ekonomię skali produkcji masowej .
Historia
Pod koniec XIX wieku najczęściej stosowanym płynem do chłodzenia absorpcyjnego był roztwór amoniaku i wody. Obecnie w powszechnym użyciu jest również połączenie bromku litu i wody. Jeden koniec systemu rur rozprężnych/kondensacyjnych jest podgrzewany, a drugi koniec jest na tyle zimny, że tworzy się lód. Pierwotnie gaz ziemny był używany jako źródło ciepła pod koniec XIX wieku. Dziś propan jest stosowany w chłodziarkach absorpcyjnych do pojazdów rekreacyjnych. Kolektory słoneczne na ciepłą wodę mogą być również wykorzystywane jako nowoczesne źródło ciepła „darmowej energii”. Raport sponsorowany przez Narodową Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) z 1976 roku dotyczył zastosowań systemów energii słonecznej w klimatyzacji. Omówiono techniki zarówno zasilane energią słoneczną (cykl absorpcji i silnik cieplny / cykl Rankine'a ), jak i związane z energią słoneczną (pompa ciepła), wraz z obszerną bibliografią powiązanej literatury.
Fotowoltaiczne (PV) chłodzenie słoneczne
Fotowoltaika może dostarczać albo pośrednią energię słoneczną do klimatyzacji, albo teraz bezpośrednio zasilać klimatyzatory. Pośrednia energia fotowoltaiczna do klimatyzatorów składa się z energii słonecznej całego domu lub całego budynku, co tradycyjnie dla większości użytkowników oznaczało również pomiar netto do sieci. Energia słoneczna w tym przypadku jest zamieniana na prąd przemienny (AC) w celu zasilania urządzeń w domu lub budynku, w tym klimatyzatorów. Zaletą tego jest to, że klimatyzatory nie potrzebują żadnej specjalnej elektroniki do obsługi energii słonecznej, więc jest to prosta implementacja. Wadą jest to, że te klimatyzatory zwykle mają SEER wartość 14 lub mniej, a dostarczona energia słoneczna ma pewne straty wynikające z konwersji mocy prądu stałego ( prądu stałego ) słonecznego na prąd zmienny, nawet zanim dotrze do klimatyzatorów. Inną wadą jest to, że te klimatyzatory nie mogą działać, gdy sieć jest wyłączona, ponieważ w efekcie netto jest węzłem sieci, a media muszą zapobiegać zasilaniu zwrotnemu zasilanie do martwej sieci, gdy sieć jest wyłączona. A teraz klimatyzatory, podobnie jak wiele urządzeń gospodarstwa domowego (np. telewizory, komputery), zaczynają działać na prąd stały. Tak więc energia słoneczna całego budynku dla takich jednostek musi zostać odwrócona do prądu przemiennego, a następnie wyprostowana z powrotem do prądu stałego, co dodatkowo zwiększa nieefektywność.
Panele słoneczne poza siecią zamiast tego wykorzystują baterie do zasilania całego domu lub całego budynku energią słoneczną. Takie systemy wykorzystują kontroler napięcia do zarządzania ładowaniem baterii, a następnie moc baterii jest odwracana, aby zapewnić prąd przemienny dla domu lub budynku. Ponieważ nie są podłączone do sieci ani nie są mierzone w sieci, mogą działać po burzy lub innym zdarzeniu obniżającym moc sieci. Jednak po raz kolejny moc musi zostać przekształcona z prądu stałego z paneli słonecznych i akumulatorów na prąd przemienny przez odwrócenie, aby zdalnie zasilać urządzenia.
Niedawno opracowano prawdziwe fotowoltaiczne klimatyzatory zasilane energią słoneczną, pompy ciepła. Takie jednostki działają z wykorzystaniem prądu stałego i jako takie mogą wykorzystywać i wykorzystują nieodłączną moc prądu stałego wytwarzaną przez fotowoltaiczne panele słoneczne. Jedna wersja mini split tego urządzenia wykorzystuje szynę zasilającą 48 V DC i zestaw akumulatorów 48 V, zwykle 4 akumulatory 12 V połączone szeregowo (np. Hotspot Energy ). Jednak w przeciwieństwie do systemu akumulatorów w całym domu, akumulatory te zasilają tylko klimatyzator. Zaletą tych systemów jest to, że przy wystarczającej pojemności baterii słonecznych i baterii mogą one działać w nocy lub gdy jest pochmurno. Inna wersja mini split umożliwia podłączenie paneli słonecznych bezpośrednio do zewnętrznej części urządzenia, wykorzystuje szynę zasilającą 310 V DC i oferuje opcjonalne zasilanie rezerwowe 120 V z sieci ( Airspool ) do wykorzystania w celu uzupełnienia braku dostępnej energii słonecznej. Zaletą tych klimatyzatorów DC z inwerterem jest niższy koszt, a wadą jest to, że nie mają możliwości działania bez energii słonecznej, chyba że są podłączone. Oba te systemy wykorzystują technologię zmiennego przepływu czynnika chłodniczego, z wysokowydajną zmienną - szybkoobrotowe silniki prądu stałego i sprężarki wymagają bardzo małej mocy roboczej, a oba oferują również ciepło oprócz klimatyzacji. Trzeci typ jednostki jest dostępny dla większych, zazwyczaj komercyjnych budynków, i oferuje zarówno podtrzymanie sieciowe i bateryjne, jak i opcjonalny pomiar netto. [ potrzebne źródło ] Podobnie jak dwie mniejsze jednostki, te jednostki to VRF , ale w przeciwieństwie do nich istnieje możliwość uruchomienia ogrzewania w jednej części budynku i klimatyzacji w drugiej, wykorzystując jedną jednostkę zewnętrzną/skraplającą i wiele jednostek wewnętrznych/wyparnych zlokalizowanych w różnych obszarów budynku, aby uwarunkować te obszary w oparciu o określone potrzeby użytkowników. [ potrzebne źródło ]
Fotowoltaikę można również łączyć z technologią geotermalną. Wydajny system klimatyzacji geotermalnej wymagałby mniejszego, tańszego systemu fotowoltaicznego. Wysokiej jakości geotermalna instalacja pompy ciepła może mieć SEER w zakresie 20 (±). Klimatyzator SEER 20 o mocy 29 kW (100 000 BTU/h) wymagałby podczas pracy mniej niż 5 kW.
Na rynku pojawiają się również nowe, niesprężarkowe, elektryczne systemy klimatyzacji o SEER powyżej 20. Nowe wersje pośrednich chłodnic wyparnych z przemianą fazową wykorzystują jedynie wentylator i dopływ wody do chłodzenia budynków bez zwiększania wilgotności wnętrza (tak jak na lotnisku McCarran Airport Las Vegas Nevada). W suchym i suchym klimacie o wilgotności względnej poniżej 45% (około 40% kontynentalnej części Stanów Zjednoczonych) pośrednie chłodnice wyparne mogą osiągnąć SEER powyżej 20 i do SEER 40. Pośrednia chłodnica wyparna o mocy 29 kW (100 000 BTU/h) potrzebowałaby tylko wystarczająca moc fotowoltaiczna dla wentylatora obiegowego (plus doprowadzenie wody).
Tańszy system fotowoltaiczny z częściową mocą może zmniejszyć (ale nie wyeliminować) miesięczną ilość energii elektrycznej kupowanej z sieci energetycznej do klimatyzacji (i innych zastosowań). Przy dotacjach rządu amerykańskiego w wysokości od 2,50 do 5,00 USD za wat fotowoltaiczny, zamortyzowany koszt energii elektrycznej wytwarzanej z fotowoltaiki może wynosić poniżej 0,15 USD za kWh. Jest to obecnie opłacalne w niektórych obszarach, gdzie energia elektryczna firmy energetycznej kosztuje obecnie 0,15 USD lub więcej. Nadwyżka energii fotowoltaicznej wytworzonej, gdy klimatyzacja nie jest wymagana, może być sprzedawana do sieci energetycznej w wielu lokalizacjach, co może zmniejszyć lub wyeliminować roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną netto. (Widzieć Budynek zeroenergetyczny )
Najwyższą efektywność energetyczną można zastosować w nowych konstrukcjach (lub modernizować istniejące budynki). Od czasu utworzenia Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w 1977 r., ich program pomocy w zakresie warunków pogodowych zmniejszył obciążenie ogrzewania i chłodzenia w 5,5 miliona niedrogich domów o niskich dochodach średnio o 31%. Sto milionów amerykańskich budynków nadal wymaga ulepszonej ochrony przed wpływami atmosferycznymi. Nieostrożne, konwencjonalne praktyki budowlane wciąż powodują powstawanie nieefektywnych nowych budynków, które wymagają ocieplenia, gdy są po raz pierwszy zamieszkałe.
Chłodzenie geotermalne
osłonowe lub chłodzące ziemię mogą wykorzystywać temperaturę otoczenia ziemi w celu zmniejszenia lub wyeliminowania wymagań konwencjonalnej klimatyzacji. W wielu klimatach, w których żyje większość ludzi, mogą znacznie ograniczyć gromadzenie się niepożądanych letnich upałów, a także pomóc w usuwaniu ciepła z wnętrza budynku. Zwiększają koszty budowy, ale zmniejszają lub eliminują koszty konwencjonalnych urządzeń klimatyzacyjnych.
Rury do chłodzenia gruntu nie są opłacalne w gorących, wilgotnych środowiskach tropikalnych, gdzie temperatura otoczenia na Ziemi zbliża się do strefy komfortu temperaturowego człowieka. Komin słoneczny lub wentylator zasilany energią fotowoltaiczną może służyć do usuwania niepożądanego ciepła i zasysania chłodniejszego, osuszonego powietrza, które przeszło przez powierzchnie o temperaturze otoczenia. Kontrola wilgotności i kondensacji to ważne kwestie projektowe.
Geotermalna pompa ciepła wykorzystuje temperaturę otoczenia do poprawy SEER dla ogrzewania i chłodzenia. Głęboka studnia recyrkuluje wodę w celu wydobycia temperatury otoczenia, zwykle przy 8 litrach (2 galony amerykańskie) wody na tonę metryczną na minutę. Te systemy z „otwartą pętlą” były najbardziej powszechne we wczesnych systemach, jednak jakość wody mogła spowodować uszkodzenie wężownic w pompie ciepła i skrócić żywotność sprzętu. Inną metodą jest system z zamkniętą pętlą, w którym pętla rur jest spuszczana do studni lub studni lub do rowów na trawniku w celu schłodzenia płynu pośredniego. Gdy używane są studnie, są one wypełniane zaczynem bentonitowym lub innym materiałem zalewowym, aby zapewnić dobrą przewodność cieplną do ziemi.
W przeszłości preferowanym płynem była mieszanina 50/50 glikolu propylenowego, ponieważ jest on nietoksyczny w przeciwieństwie do glikolu etylenowego (który jest stosowany w chłodnicach samochodowych). Glikol propylenowy jest lepki i ostatecznie zakleszczyłby niektóre części w pętli (pętlach), więc wypadł z łask. Dzisiaj [ kiedy? ] , najczęściej stosowanym środkiem przenoszącym jest mieszanina wody i alkoholu etylowego (etanolu).
Temperatura otoczenia na ziemi jest znacznie niższa niż szczytowa temperatura powietrza latem i znacznie wyższa niż najniższa ekstremalna temperatura powietrza zimą. Woda jest 25 razy bardziej przewodząca ciepło niż powietrze, więc jest znacznie bardziej wydajna niż pompa ciepła na powietrze zewnętrzne (która staje się mniej efektywna, gdy temperatura zewnętrzna spada zimą).
Ten sam typ studni geotermalnej może być używany bez pompy ciepła, ale ze znacznie gorszymi wynikami. Woda o temperaturze otoczenia jest pompowana przez osłoniętą chłodnicę (podobnie jak chłodnica samochodowa). Powietrze jest wdmuchiwane przez chłodnicę, która chłodzi się bez klimatyzatora opartego na sprężarce. Fotowoltaiczne panele słoneczne wytwarzają energię elektryczną dla pompy wodnej i wentylatora, eliminując konwencjonalne rachunki za media klimatyzacyjne. Ta koncepcja jest opłacalna, o ile temperatura otoczenia na ziemi jest niższa od strefy komfortu cieplnego człowieka (nie w tropikach).
Słoneczna klimatyzacja w otwartej pętli wykorzystująca osuszacze
Powietrze można przepuszczać nad zwykłymi, stałymi środkami osuszającymi (takimi jak żel krzemionkowy lub zeolit ) lub ciekłymi środkami osuszającymi (takimi jak bromek/chlorek litu), aby odciągnąć wilgoć z powietrza i umożliwić wydajny cykl chłodzenia mechanicznego lub wyparnego . Osuszacz jest następnie regenerowany przy użyciu słonecznej energii cieplnej do osuszania w opłacalnym, energooszczędnym, ciągle powtarzającym się cyklu. System fotowoltaiczny może zasilać niskoenergetyczny wentylator cyrkulacyjny oraz silnik do powolnego obracania dużego dysku wypełnionego środkiem osuszającym.
wentylacji z odzyskiem energii zapewniają kontrolowany sposób wietrzenia domu przy jednoczesnej minimalizacji strat energii. Powietrze przepuszcza się przez „ koło entalpii ” (często przy użyciu żelu krzemionkowego), aby obniżyć koszty ogrzewania wentylowanego powietrza w zimie poprzez przenoszenie ciepła z ciepłego powietrza wywiewanego do świeżego (ale zimnego) powietrza nawiewanego. Latem powietrze wewnętrzne schładza cieplejsze powietrze nawiewane, aby obniżyć koszty chłodzenia wentylacji. Ten niskoenergetyczny system wentylacji z wentylatorem i silnikiem może być opłacalnie zasilany przez fotowoltaikę , z ulepszonym wydmuchem w postaci naturalnej konwekcji do komin słoneczny - napływający w dół strumień powietrza byłby wymuszoną konwekcją ( adwekcją ).
Osuszacz, taki jak chlorek wapnia, można zmieszać z wodą, aby stworzyć recyrkulacyjny wodospad, który osusza pomieszczenie, wykorzystując energię słoneczną do regeneracji cieczy oraz pompę wodną o niskim przepływie zasilaną PV do cyrkulacji cieczy.
Aktywne chłodzenie słoneczne, w którym kolektory słoneczne dostarczają energię wejściową do systemu chłodzenia osuszającego. Istnieje kilka dostępnych na rynku systemów, które przedmuchują powietrze przez medium nasączone środkiem osuszającym, zarówno w cyklu osuszania, jak i regeneracji. Ciepło słoneczne jest jednym ze sposobów zasilania cyklu regeneracji. Teoretycznie upakowane wieże mogą być używane do tworzenia przepływu przeciwprądowego powietrza i płynnego środka osuszającego, ale zwykle nie są stosowane w maszynach dostępnych na rynku. Wykazano, że wstępne podgrzewanie powietrza znacznie poprawia regenerację osuszacza. Kolumna z wypełnieniem dobrze sprawdza się jako osuszacz/regenerator pod warunkiem, że spadek ciśnienia można zredukować stosując odpowiednie wypełnienie.
Pasywne chłodzenie słoneczne
W tego rodzaju chłodzeniu energia słoneczna nie jest wykorzystywana bezpośrednio do tworzenia zimnego środowiska ani do napędzania jakichkolwiek bezpośrednich procesów chłodzenia. Zamiast tego projekt budynku wykorzystującego energię słoneczną ma na celu spowolnienie tempa przenikania ciepła do budynku latem i poprawę usuwania niechcianego ciepła. Obejmuje dobre zrozumienie mechanizmów wymiany ciepła : przewodzenie ciepła , konwekcyjne przenoszenie ciepła i promieniowanie cieplne , przy czym to ostatnie pochodzi głównie ze słońca.
Na przykład oznaką złego projektu termicznego jest poddasze, które latem nagrzewa się bardziej niż szczytowa temperatura powietrza na zewnątrz. Można to znacznie zredukować lub wyeliminować za pomocą chłodnego dachu lub zielonego dachu , które mogą obniżyć temperaturę powierzchni dachu o 70 ° F (40 ° C) latem. Bariera promieniowania i szczelina powietrzna pod dachem zablokują około 97% skierowanego w dół promieniowania z okładziny dachu nagrzanej przez słońce.
Pasywne chłodzenie słoneczne jest znacznie łatwiejsze do osiągnięcia w nowym budownictwie niż poprzez adaptację istniejących budynków. Istnieje wiele specyfiki projektowej związanej z pasywnym chłodzeniem słonecznym. Jest to podstawowy element projektowania budynku zeroenergetycznego w gorącym klimacie.
Chłodzenie absorpcyjne w zamkniętej pętli słonecznej
Klimatyzacja w obiegu zamkniętym zwykle wykorzystuje następujące materiały do absorpcji na bazie wody:
- Amoniak
- bromek litu
- Chlorek litu
- Żel krzemionkowy
- Zeolit
Alternatywą dla systemów wodnych jest stosowanie metanolu z węglem aktywnym.
Aktywne chłodzenie słoneczne wykorzystuje kolektory słoneczne do dostarczania energii słonecznej do agregatów chłodniczych napędzanych termicznie (zwykle agregatów adsorpcyjnych lub absorpcyjnych). Energia słoneczna ogrzewa płyn, który dostarcza ciepło do generatora absorpcyjnego agregatu chłodniczego i jest zawracany z powrotem do kolektorów. Ciepło dostarczane do generatora napędza cykl chłodzenia, w wyniku którego wytwarzana jest woda lodowa. Wytwarzana schłodzona woda jest wykorzystywana do chłodzenia dużych obiektów komercyjnych i przemysłowych.
Słoneczna energia cieplna może być wykorzystana do wydajnego chłodzenia latem, a także do ogrzewania ciepłej wody użytkowej i budynków zimą. Pojedyncze, podwójne lub potrójne iteracyjne cykle chłodzenia absorpcyjnego są stosowane w różnych projektach słonecznych systemów chłodzenia. Im więcej cykli, tym są bardziej wydajne. Chillery absorpcyjne działają ciszej i ciszej niż agregaty sprężarkowe, ale ich koszty inwestycyjne są stosunkowo wysokie.
Wydajne absorpcyjne agregaty chłodnicze wymagają nominalnie wody o temperaturze co najmniej 190 ° F (88 ° C). Zwykłe, niedrogie płaskie kolektory słoneczne wytwarzają tylko około 160 ° F (71 ° C) wody. Do wytworzenia wymaganych płynów przenoszących o wyższej temperaturze potrzebne są wysokotemperaturowe kolektory płaskie, koncentracyjne (CSP) lub próżniowe. W instalacjach na dużą skalę istnieje kilka projektów odnoszących sukcesy zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomicznym w eksploatacji na całym świecie, w tym na przykład w siedzibie Caixa Geral de Depósitos w Lizbonie z kolektorami słonecznymi o powierzchni 1579 metrów kwadratowych (17 000 stóp kwadratowych) i mocą chłodzenia 545 kW lub w Olimpijskiej Wiosce Żeglarskiej w Qingdao/Chiny. W 2011 r. uruchomiona zostanie najpotężniejsza elektrownia nowo wybudowanego United World College w Singapurze (1500 kW).
Projekty te pokazały, że płaskie kolektory słoneczne opracowane specjalnie dla temperatur powyżej 200 ° F (93 ° C) (z podwójnymi szybami, zwiększoną izolacją z tyłu itp.) Mogą być skuteczne i opłacalne. Tam, gdzie wodę można podgrzać znacznie powyżej 190 ° F (88 ° C), można ją przechowywać i używać, gdy nie świeci słońce.
Audubon Environmental Center w Ernest E. Debs Regional Park w Los Angeles ma przykładową instalację klimatyzacji słonecznej, która uległa awarii dość szybko po uruchomieniu i nie jest już konserwowana. [ potrzebne źródło ] Firma Southern California Gas Co. (The Gas Company) testuje również praktyczność słonecznych systemów chłodzenia w swoim Centrum Zasobów Energii (ERC) w Downey w Kalifornii . Kolektory słoneczne firmy Sopogy i Cogenra zostały zainstalowane na dachu ERC i produkują chłodzenie systemu klimatyzacji budynku. Masdar City w Zjednoczonych Emiratach Arabskich testuje również absorpcyjną instalację chłodzenia o podwójnym działaniu, wykorzystującą paraboliczne kolektory rynnowe Sopogy , układ Mirroxx Fresnel i wysokopróżniowe panele słoneczne TVP Solar.
Sortownia FedEx Ground w Davenport na Florydzie wykorzystuje solarny system klimatyzacji do doprowadzania chłodnego powietrza do naczep ciężarówek zaparkowanych przy drzwiach załadunkowych.
Chłodziarki absorpcyjne były używane do produkcji lodu przez 150 lat (zanim wynaleziono żarówki elektryczne). Lód ten można przechowywać i wykorzystywać jako „lodową baterię” do chłodzenia, gdy słońce nie świeci, tak jak to miało miejsce w 1995 roku w Hotelu New Otani Tokyo w Japonii. Modele matematyczne są dostępne w domenie publicznej do obliczeń wydajności magazynowania energii cieplnej w lodzie.
ISAAC Solar Icemaker to przerywany cykl słonecznej absorpcji amoniaku i wody. ISAAC wykorzystuje paraboliczny rynnowy kolektor słoneczny o zwartej i wydajnej konstrukcji do produkcji lodu bez paliwa lub energii elektrycznej, a także bez ruchomych części.
Systemy chłodzenia słonecznego z wykorzystaniem kolektorów skupiających
Głównymi powodami stosowania kolektorów skupiających w systemach chłodzenia słonecznego są: wysokowydajna klimatyzacja poprzez sprzężenie z agregatami chłodniczymi o podwójnym/potrójnym działaniu; oraz chłodnictwo słoneczne obsługujące końcowych użytkowników przemysłowych, ewentualnie w połączeniu z ciepłem procesowym i parą.
Jeśli chodzi o zastosowania przemysłowe, w kilku badaniach przeprowadzonych w ostatnich latach podkreślono, że istnieje duży potencjał chłodzenia (temperatury poniżej 0°C) w różnych częściach świata (np. w basenie Morza Śródziemnego, w Ameryce Środkowej). Można to jednak osiągnąć za pomocą agregatów absorpcyjnych amoniaku/wody, wymagających wysokiej temperatury dostarczania ciepła do generatora, w zakresie (120 ÷ 180 °C), co może być zaspokojone tylko przez skoncentrowane kolektory słoneczne. Ponadto kilka zastosowań przemysłowych wymaga zarówno chłodzenia, jak i pary do procesów, a koncentracja kolektorów słonecznych może być bardzo korzystna w tym sensie, że ich wykorzystanie jest maksymalne
Budynki zeroenergetyczne
Cele budynków o zerowym zużyciu energii obejmują zrównoważone , ekologiczne technologie budowlane, które mogą znacznie obniżyć lub wyeliminować roczne rachunki netto za energię. Najwyższym osiągnięciem jest całkowicie autonomiczny budynek wyłączony z sieci , który nie musi być podłączony do przedsiębiorstw użyteczności publicznej. W gorącym klimacie ze znacznym stopniodni zapotrzebowania na chłodzenie najnowocześniejsza klimatyzacja słoneczna będzie coraz ważniejszym krytycznym czynnikiem sukcesu .
