Солнечное кондиционирование - Solar air conditioning
Солнечное кондиционирование воздуха относится к любой системе кондиционирования (охлаждения), использующей солнечную энергию .
Это можно сделать с помощью пассивного солнечного дизайна, преобразования солнечной тепловой энергии и фотоэлектрического преобразования (солнечный свет в электричество). В соответствии с Законом США об энергетической независимости и безопасности 2007 года предусмотрено финансирование с 2008 по 2012 годы новой программы исследований и разработок в области систем кондиционирования воздуха с использованием солнечной энергии, которая должна разработать и продемонстрировать многочисленные новые технологические инновации и экономию на масштабе массового производства .
История
В конце 19 века наиболее распространенной жидкостью для абсорбционного охлаждения был раствор аммиака и воды. Сегодня также широко используется комбинация бромида лития и воды. Один конец системы расширительных / конденсационных труб нагревается, а другой конец становится достаточно холодным, чтобы образовался лед. Первоначально природный газ использовался в качестве источника тепла в конце 19 века. Сегодня пропан используется в абсорбционных холодильных установках транспортных средств для отдыха. Водяные солнечные тепловые коллекторы также могут использоваться в качестве современного источника тепла «свободной энергии». Отчет, спонсируемый Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) в 1976 году, посвящен применению систем солнечной энергии для кондиционирования воздуха. Обсуждаемые методы включали как солнечную энергию (цикл абсорбции и тепловой двигатель / цикл Ренкина ), так и связанные с солнечной батареей ( тепловой насос), а также обширную библиографию соответствующей литературы.
Фотоэлектрическое (PV) солнечное охлаждение
Фотогальваника может обеспечивать питание любого типа электрического охлаждения, будь то традиционное компрессорное или адсорбционное / абсорбционное, хотя наиболее распространенная реализация - компрессоры. Для небольшого жилого и малого коммерческого охлаждения (менее 5 МВт · ч / ) PV-приведенного в действии охлаждения была наиболее часто реализуются солнечной технологией охлаждения. Причина этого обсуждается, но обычно предполагаемые причины включают структурирование стимулов, отсутствие оборудования для жилых помещений для других технологий солнечного охлаждения, появление более эффективных электрических охладителей или простоту установки по сравнению с другими технологиями солнечного охлаждения (такими как лучистые системы охлаждения). охлаждение ).
Поскольку рентабельность фотоэлектрического охлаждения во многом зависит от охлаждающего оборудования и, учитывая низкую эффективность методов электрического охлаждения, до недавнего времени оно не было рентабельным без субсидий. Использование более эффективных методов электрического охлаждения и увеличение сроков окупаемости меняют этот сценарий.
Например, кондиционер US Energy Star мощностью 29 кВт (100 000 БТЕ / ч ) с сезонным коэффициентом энергоэффективности (SEER) 14 требует около 7 кВт электроэнергии для полной мощности охлаждения в жаркий день. Для этого потребуется солнечная фотоэлектрическая система производства электроэнергии с накоплением мощностью более 20 кВт.
Фотоэлектрическая система мощностью 7 кВт с отслеживанием солнечной энергии, вероятно, будет иметь установленную цену намного выше 20 000 долларов США (при этом цены на фотоэлектрическое оборудование в настоящее время падают примерно на 17% в год). Затраты на инфраструктуру, проводку, монтаж и код NEC могут привести к дополнительным расходам; например, система привязки к сетке солнечных панелей мощностью 3120 Вт имеет пиковую стоимость панели 0,99 долл. США / ватт, но по-прежнему стоит ~ 2,2 долл. США / пиковый ватт-час. Другие системы другой емкости стоят еще дороже, не говоря уже о системах резервного питания от батарей, которые стоят еще дороже.
Для более эффективной системы кондиционирования воздуха потребуется меньшая по размеру и менее дорогая фотоэлектрическая система. Высококачественная установка геотермального теплового насоса может иметь SEER в диапазоне 20 (±). Для кондиционера SEER 20 мощностью 29 кВт (100 000 БТЕ / ч) во время работы потребуется менее 5 кВт.
Более новая технология с низким энергопотреблением, включая тепловые насосы постоянного тока с обратным инвертором, позволяет достичь рейтинга SEER до 26.
На рынке появляются новые некомпрессорные электрические системы кондиционирования воздуха с показателем SEER выше 20. Новые версии непрямых испарительных охладителей с фазовым переходом не используют ничего, кроме вентилятора и подачи воды для охлаждения зданий без дополнительной внутренней влажности (например, в аэропорту Маккаран, Лас-Вегас, Невада). В сухом засушливом климате с относительной влажностью ниже 45% (около 40% континентальной части США) испарительные охладители непрямого действия могут достигать SEER выше 20 и до SEER 40. Потребуется только испарительный охладитель непрямого действия мощностью 29 кВт (100 000 БТЕ / ч). достаточно фотоэлектрической энергии для циркуляционного вентилятора (плюс водоснабжение).
Менее дорогая фотоэлектрическая система с частичным питанием может сократить (но не исключить) ежемесячный объем электроэнергии, покупаемой из электросети для кондиционирования воздуха (и других целей). При субсидиях правительства штата США в размере от 2,50 до 5 долларов США за фотоэлектрический ватт амортизированная стоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, может быть ниже 0,15 доллара за кВтч. В настоящее время это экономически выгодно в некоторых областях, где электроэнергия энергокомпании сейчас стоит 0,15 доллара или больше. Избыточная фотоэлектрическая энергия, генерируемая, когда кондиционирование воздуха не требуется, может быть продана в электросеть во многих местах, что может снизить или исключить ежегодную потребность в чистой электроэнергии. (См. Здание с нулевым потреблением энергии )
Превосходная энергоэффективность может быть реализована в новом строительстве (или при модернизации существующих зданий). С момента создания Министерства энергетики США в 1977 году их Программа помощи по утеплению снизила нагрузку на отопление и охлаждение на 5,5 млн доступных домов для малоимущих в среднем на 31%. Сотни миллионов американских зданий все еще нуждаются в улучшении утепления. Неосторожные традиционные методы строительства по-прежнему приводят к появлению неэффективных новых зданий, нуждающихся в утеплении при первом заселении.
Довольно просто снизить потребность в обогреве и охлаждении для нового строительства вдвое. Часто это можно сделать без дополнительных чистых затрат, поскольку есть экономия на меньших системах кондиционирования воздуха и другие преимущества.
Геотермальное охлаждение
Укрытия от земли или трубы для охлаждения земли могут использовать температуру окружающей среды земли для снижения или устранения обычных требований к кондиционированию воздуха. Во многих климатических условиях, где проживает большинство людей, они могут значительно уменьшить накопление нежелательной летней жары, а также помочь удалить тепло из внутренних помещений здания. Они увеличивают стоимость строительства, но снижают или устраняют стоимость обычного оборудования для кондиционирования воздуха.
Трубки охлаждения Земли не являются рентабельными в жарких влажных тропических условиях, когда температура окружающей среды Земли приближается к температурной зоне комфорта человека. Солнечный дымоход или фотоэлектрической Приведено вентилятор может быть использован , чтобы исчерпать нежелательное тепло и рисовать в холодильнике, осушенном воздух, прошедший от окружающих поверхностей температуры Земли. Важными вопросами проектирования являются контроль влажности и конденсации.
Геотермальной тепловой насос использует температуру окружающей среды на землю , чтобы улучшить SEER для тепла и охлаждения. В глубокой скважине осуществляется рециркуляция воды для извлечения температуры окружающей среды, обычно из расчета 8 литров (2 галлона США) воды на метрическую тонну в минуту. Эти системы с «разомкнутым контуром» были наиболее распространены в ранних системах, однако качество воды могло вызвать повреждение змеевиков в тепловом насосе и сократить срок службы оборудования. Другой метод - это система с замкнутым контуром, в которой петля из труб спускается в колодец или колодцы или в траншеи на лужайке для охлаждения промежуточной жидкости. Когда используются колодцы, их засыпают бентонитом или другим цементным материалом, чтобы обеспечить хорошую теплопроводность по отношению к земле.
В прошлом предпочтительной жидкостью была смесь пропиленгликоля 50/50, потому что она нетоксична в отличие от этиленгликоля (который используется в автомобильных радиаторах). Пропиленгликоль вязкий и со временем склеит некоторые части петли (петель), поэтому он потерял популярность. Сегодня наиболее распространенным агентом переноса является смесь воды и этилового спирта (этанола).
Температура окружающей среды намного ниже пиковой температуры воздуха летом и намного выше минимальной экстремальной температуры воздуха зимой. Вода в 25 раз более теплопроводна, чем воздух, поэтому она намного эффективнее теплового насоса с наружным воздухом (который становится менее эффективным, когда температура наружного воздуха падает зимой).
Такой же тип геотермальной скважины можно использовать без теплового насоса, но с гораздо меньшими результатами. Вода с температурой окружающей среды прокачивается через закрытый радиатор (например, автомобильный радиатор). Воздух проходит через радиатор, который охлаждается без кондиционера на базе компрессора. Фотоэлектрические солнечные электрические панели вырабатывают электроэнергию для водяного насоса и вентилятора, что исключает обычные счета за коммунальные услуги, связанные с кондиционированием воздуха. Эта концепция рентабельна, если температура окружающей среды в данном месте ниже зоны теплового комфорта человека (не в тропиках).
Солнечное кондиционирование воздуха без обратной связи с использованием осушителей
Воздух можно пропускать через обычные твердые осушители (например, силикагель или цеолит ) или жидкие осушители (например, бромид / хлорид лития) для удаления влаги из воздуха, чтобы обеспечить эффективный цикл механического или испарительного охлаждения . Затем осушитель регенерируется с использованием солнечной тепловой энергии для осушения в экономичном, низкоэнергетическом, непрерывно повторяющемся цикле. Фотоэлектрическая система может привести к низкой энергии циркуляция воздуха вентилятора и двигатель медленно вращать большой диск , наполненный осушитель.
Системы вентиляции с рекуперацией энергии обеспечивают управляемый способ вентиляции дома при минимальных потерях энергии. Воздух пропускается через « колесо энтальпии » (часто с использованием силикагеля), чтобы снизить затраты на нагрев вентилируемого воздуха зимой за счет передачи тепла от теплого внутреннего воздуха, выходящего на свежий (но холодный) приточный воздух. Летом внутренний воздух охлаждает более теплый входящий приточный воздух, чтобы снизить затраты на охлаждение вентиляции. Эта низкоэнергетическая вентиляционная система с вентилятором и двигателем может быть экономически эффективно приведена в действие фотоэлектрической системой с улучшенной естественной конвекцией отвода воздуха вверх по солнечной трубе - нисходящий входящий поток воздуха будет принудительной конвекцией ( адвекцией ).
Осушитель, такой как хлорид кальция, может быть смешан с водой для создания рециркулирующего водопада, который осушает комнату, используя солнечную тепловую энергию для регенерации жидкости, и низкоскоростной водяной насос с фотоэлектрическим приводом для циркуляции жидкости.
Активное солнечное охлаждение, при котором солнечные тепловые коллекторы обеспечивают входную энергию для адсорбционной системы охлаждения. Существует несколько коммерчески доступных систем, которые продувают воздух через пропитанную влагопоглотителем среду как для цикла осушения, так и для цикла регенерации. Солнечное тепло является одним из способов включения цикла регенерации. Теоретически насадочные колонны могут использоваться для создания противотока воздуха и жидкого осушителя, но обычно не используются в коммерчески доступных машинах. Показано, что предварительный нагрев воздуха значительно улучшает регенерацию адсорбента. Насадочная колонна дает хорошие результаты в качестве осушителя / регенератора при условии, что падение давления может быть уменьшено с помощью подходящей насадки.
Пассивное солнечное охлаждение
В этом типе охлаждения солнечная тепловая энергия не используется напрямую для создания холодной среды или управления процессами прямого охлаждения. Вместо этого конструкция здания с использованием солнечной энергии направлена на снижение скорости передачи тепла в здание летом и улучшение отвода нежелательного тепла. Это предполагает хорошее понимание механизмов теплопередачи : теплопроводность , конвективная теплопередача и тепловое излучение , последнее в первую очередь от солнца.
Например, признаком плохого теплового дизайна является чердак, где летом становится жарче, чем пиковая температура наружного воздуха. Это можно значительно уменьшить или устранить с помощью прохладной крыши или зеленой крыши , которые могут снизить температуру поверхности крыши на 70 ° F (40 ° C) летом. Лучистая барьер и воздушный зазор под крышей будут блокировать около 97% вниз от радиации кровли , нагретого солнцем.
Пассивное солнечное охлаждение намного легче достичь в новом строительстве, чем путем адаптации существующих зданий. Пассивное солнечное охлаждение связано с множеством конструктивных особенностей. Это основной элемент проектирования здания с нулевым потреблением энергии в жарком климате.
Абсорбционное охлаждение с замкнутым циклом солнечной энергии
Ниже приведены распространенные технологии, используемые для солнечного теплового кондиционирования воздуха с обратной связью.
- Поглощение: NH
3/ H
2O или аммиак / вода - Поглощение: вода / бромид лития
- Поглощение: вода / хлорид лития
- Адсорбция: вода / силикагель или вода / цеолит
- Адсорбция: метанол / активированный уголь
Активное солнечное охлаждение использует солнечные тепловые коллекторы для обеспечения солнечной энергией чиллеров с тепловым приводом (обычно адсорбционных или абсорбционных чиллеров). Солнечная энергия нагревает жидкость, которая передает тепло генератору абсорбционного чиллера и возвращается обратно в коллекторы. Тепло, подаваемое в генератор, запускает цикл охлаждения, в результате которого образуется охлажденная вода. Полученная охлажденная вода используется для охлаждения крупных коммерческих и промышленных предприятий.
Солнечная тепловая энергия может использоваться для эффективного охлаждения летом, а также для нагрева горячей воды и зданий зимой. Одинарные, двойные или тройные итерационные циклы абсорбционного охлаждения используются в различных конструкциях систем солнечного термического охлаждения. Чем больше циклов, тем они эффективнее. Абсорбционные чиллеры работают с меньшим шумом и вибрацией, чем чиллеры на основе компрессоров, но их капитальные затраты относительно высоки.
Для эффективных абсорбционных чиллеров обычно требуется вода с температурой не менее 190 ° F (88 ° C). Обычные недорогие плоские солнечные тепловые коллекторы производят воду только при температуре около 160 ° F (71 ° C). Высокотемпературные плоские пластинчатые, концентрирующие (CSP) или откачанные трубчатые коллекторы необходимы для получения требуемых жидкостей для переноса с более высокой температурой. В крупномасштабных установках есть несколько проектов, успешных как с технической, так и с экономической точки зрения, в эксплуатации по всему миру, в том числе, например, в штаб-квартире Caixa Geral de Depósitos в Лиссабоне с 1579 квадратных метров (17000 квадратных футов) солнечных коллекторов и мощностью охлаждения 545 кВт или на Олимпийская парусная деревня в Циндао / Китай. В 2011 году будет введена в эксплуатацию самая мощная станция нового построенного в Сингапуре United World College (1500 кВт).
Эти проекты показали, что плоские солнечные коллекторы, специально разработанные для температур выше 200 ° F (93 ° C) (с двойным остеклением, усиленной изоляцией задней стороны и т. Д.), Могут быть эффективными и экономичными. Там, где вода может быть нагрета до температуры выше 190 ° F (88 ° C), ее можно хранить и использовать, когда солнце не светит.
В экологическом центре Одубона в региональном парке Эрнеста Дебса в Лос-Анджелесе есть пример установки солнечного кондиционирования воздуха, которая вышла из строя довольно скоро после ввода в эксплуатацию и больше не обслуживается. Southern California Gas Co. (Gas Company) также тестирование практичности солнечных тепловых систем охлаждения на их Центре энергетических ресурсов (ERC) в Дауни, Калифорния. Солнечные коллекторы от Sopogy и Cogenra были установлены на крыше ERC и обеспечивают охлаждение системы кондиционирования воздуха в здании. Масдар Сити в Объединенных Арабских Эмиратах также испытывает охлаждающее поглощение двойного эффекта установки с использованием Sopogy параболической корыто коллекторы, массива Mirroxx Френеля и TVP солнечных высоковакуумными солнечные тепловые панелей.
В течение 150 лет абсорбционные чиллеры использовались для производства льда (до изобретения электрических лампочек). Этот лед можно хранить и использовать в качестве «ледяной батареи» для охлаждения, когда солнце не светит, как это было в 1995 году в отеле New Otani Tokyo в Японии. В открытом доступе доступны математические модели для расчета характеристик аккумуляторов тепловой энергии на основе льда.
Солнечный ледогенератор ISAAC представляет собой прерывистый цикл поглощения аммиака и воды солнечными батареями. В ISAAC используется солнечный коллектор с параболическим желобом и компактная и эффективная конструкция для производства льда без топлива или электроэнергии, а также без движущихся частей.
Провайдеры солнечных систем охлаждения включают ChillSolar, SOLID, Sopogy , Cogenra, Industrial Solar и TVP Solar для коммерческих установок и ClimateWell , Fagor - Rotartica , SorTech и Daikin в основном для жилых систем. Cogenra использует солнечную когенерацию для производства тепловой и электрической энергии, которая может использоваться для охлаждения.
Солнечные системы охлаждения с использованием концентрирующих коллекторов
Основными причинами использования концентрирующих коллекторов в солнечных системах охлаждения являются: высокоэффективное кондиционирование воздуха за счет соединения с чиллерами двойного / тройного действия; и солнечное охлаждение, обслуживающее промышленных конечных пользователей, возможно, в сочетании с технологическим теплом и паром.
Что касается промышленных применений, несколько исследований, проведенных в последние годы, показали, что существует высокий потенциал охлаждения (температуры ниже 0 ° C) в различных регионах земного шара (например, Средиземноморье, Центральная Америка). Однако это может быть достигнуто с помощью аммиачных / водопоглощающих чиллеров, требующих высокой температуры подводимого тепла в генераторе в диапазоне (120 ÷ 180 ° C), который может быть удовлетворен только путем концентрации солнечных коллекторов. Более того, для некоторых промышленных применений требуется как охлаждение, так и пар для технологических процессов, и концентрирующие солнечные коллекторы могут быть очень выгодными в том смысле, что их использование максимально эффективно.
Здания с нулевым потреблением энергии
Цели нулевой энергии зданий включают в себя устойчивые , зеленые строительные технологии , которые могут значительно уменьшить или устранить, чистые годовые счета энергии. Высшим достижением является полностью автономное здание вне сети, которое не нужно подключать к коммунальным предприятиям. В жарком климате, когда требуется значительное количество дней охлаждения, передовое солнечное кондиционирование воздуха будет становиться все более важным критическим фактором успеха .