Trendy v solární tepelné technice (VI) - Solární chlazení

Potřeba energie pro chlazení a klimatizaci se v posledních desetiletích zvyšuje, zvláště v rozvinutých zemích. Vzhledem k tomu, že pro výrobu chladu jsou v převážné většině používány chladicí zařízení s elektrickými kompresory, roste potřeba elektrické energie, charakteristická výraznými špičkami, v letním období. Chladicí systémy poháněné teplem z obnovitelných zdrojů nebo odpadních surovin jsou slibnou alternativou pro úsporu fosilních surovin a snížení emisí skleníkových plynů. Článek popisuje možnosti využití sluneční energie pro chlazení budov.

ÚVOD

Snaha o zvýšení podílu využití sluneční energie v budovách vede přirozeně i k rozvoji principů tzv. solárního chlazení. V letním období, kdy je největší potřeba chlazení, jsou také tepelné zisky z kolektorů největší. Myšlenka využít teplo z kolektorů pro pohon chladicího zařízení není nová, nicméně v dnešní době je aktuální vzhledem k vysoké ceně chladu a výrazné spotřebě elektrické energie pro jeho výrobu, s níž souvisí problematické energetické špičky a výpadky elektrické energie (black-outy) v extrémech tepelné zátěže budov v letním období.

Solární chlazení ve spojení se solární soustavou pro přípravu teplé užitkové vody a vytápění výhodně využívá letních přebytků tepla a zvyšuje využitelnost sluneční energie v budově. Můžeme mluvit o kombinované solární soustavě pro "výrobu" tepla a chladu.

Obr. 1 - Možnosti využití sluneční energie pro chlazení

Na obr. 1 jsou uvedeny různé technologie, kterými je možné zajistit chlazení s využitím sluneční energie jako pohonu. V některých případech jde o spojení již existujících technologií v chladicí a klimatizační technice a vhodně dimenzované solární soustavy (např. absorpční chladicí jednotky s kapalným sorbentem v uzavřeném cyklu, nebo otevřený cyklus s desikačním rotačním výměníkem), jiné případy jsou technologie ve fázi vývoje (otevřený cyklus s kapalným sorbentem, uzavřený cyklus s tuhým sorbentem) a některé pouze hypotetické z hlediska omezené využitelnosti v praxi (fotovoltaickými články poháněné kompresorové chladicí jednotky).

SOLÁRNÍ ABSORPČNÍ CHLAZENÍ V UZAVŘENÉM CYKLU

Na obr. 2 je uvedeno schéma jednostupňového absorpčního chladicího zařízení. Tepelná energie ze solárních kolektorů (SK) je využita v desorbéru (D) pro vypuzení chladiva z roztoku při vysoké teplotě a tlaku. Páry chladiva se poté srážejí v kondenzátoru (K) a po expanzi (EV) na nízký tlak se opět vypařují ve výparníku (V). Ve výparníku je odebíráno teplo chladicí vodě určené pro účely chlazení. Páry chladiva jsou potom navráceny do roztoku v absorbéru (A), kde se znovu srážejí. Mezi absorbérem a desorbérem se oběhovým čerpadlem dopravuje bohatý a ochuzený roztok s rekuperací tepla ve výměníku (VT).

Obr. 2 - Schéma solárního absorpčního cyklu (jednostupňový)

V zásadě se používají dvě kombinace pracovních látek (roztok/chladivo): LiBr/H₂O pro teploty chladicí vody od 6 do 20 °C a H₂O/NH₃ pro teploty od -60 do 20 °C. Chladicí faktory jednostupňových cyklů se pohybují mezi 0,7 a 0,8 pro teploty teplonosné látky solárního okruhu 70 až 100 °C. Jednostupňová absorpční zařízení umožňují využít běžné ploché nebo trubicové selektivní kolektory. S relativně nízkým chladicím faktorem jednostupňového cyklu souvisí potřeba velké plochy solárních kolektorů. Vyššího chladicího faktoru lze dosáhnout vícestupňovým cyklem, avšak při vyšších provozních teplotách: dvojstupňový cyklus s chladicím faktorem 1,1 až 1,4 při 120 až 170 °C, trojstupňový cyklus s chladicím faktorem 1,7 při teplotách nad 200 °C. U vícestupňových cyklů jde v principu o využití tepla uvolněného v absorbéru k pohonu přídavných desorbérů, zvyšujících (dvakrát, třikrát) množství vypuzeného chladiva z roztoku bez další potřeby tepla. Ačkoli tato zařízení byla vyvinuta pro použití s plynem jako zdrojem tepla, lze je adaptovat pro použití s vysokoteplotními solárními kolektory, zejména koncentračními. Nicméně za stávajících tarifů elektrické energie a plynu nejsou zatím konkurenceschopné.

SOLÁRNÍ DESIKAČNÍ CHLAZENÍ V OTEVŘENÉM CYKLU

Desikační (sorpční) otevřený cyklus, využívající vodu jako chladivo v přímém styku s upravovaným vzduchem, je v oblasti klimatizace běžnou technologií především pro větší budovy. Desikant (sorbent) je ve většině případů tuhý (silikagel, zeolit) a zajišťuje výměnu citelného a skupenského tepla v upravovaném proudu vzduchu. Název "otevřený cyklus" napovídá, že chladivo (voda, resp. vodní pára) je po zajištění chladicího účinku ze systému odvedeno a nahrazeno novým. V desikačním chladicím zařízení (viz schéma na obr. 3) je upravovaný venkovní vzduch nejprve odvlhčen (desikační rotační výměník), poté předchlazen v rekuperačním výměníku a adiabaticky dochlazen a zvlhčen ve vodní pračce na požadované parametry. Desikační rotační výměník (sorpční rotor) se otáčí mezi dvěma proudy vzduchu (čerstvý, odpadní), jedna část (segment) vždy odnímá vlhkost čerstvému vzduchu a po pootočení ji odevzdává do odpadního vzduchu. Desikant je regenerován buď venkovním nebo odpadním vzduchem (viz obr. 3) ohřátým na požadovanou regenerační teplotu (60 až 140 °C) teplem ze solárních kolektorů.

Obr. 3 - Schéma solárního desikačního chlazení a průběh změn v Molierově diagramu

Desikační solární chlazení má oproti uzavřeným systémům několik výhod: provoz za atmosférického tlaku, kromě chlazení zajišťuje i odvlhčení upravovaného vzduchu; ale také nevýhod: nízký chladicí faktor vlivem neúčinné regenerace, velké průtoky vzduchu spojené s vysokými parazitními ztrátami, možná kontaminace desikantu nečistotami a prachem (omezení životnosti). Chladicí faktory se pohybují od 0,5 do 1,0.