Солнечная энергия для обогрева и охлаждения зданий: техника, рынки, перспективы.

Даже если в будущем камышовые плетни будут использоваться для украшения, развитие солнечных технологий в обогреве и охлаждении показывает, что солнечное кондиционирование воздуха идет вперед. Потенциально термическое производство холода увеличит нагрузку на мини-теплоэлектростанции.

Другой метод – присоединение к сетям централизованного отопления – сейчас анализируется. В докладе, сделанном в феврале 2010 года Бьерном Нинборгом, научным сотрудником фраунхоферского института солнечных систем, содержалась опережающая события мысль об использовании солнечных систем в качестве систем охлаждения  предстоящим летом. Но и холодной зимой 2009/2010 выяснилось, что благодаря своим качествам холодильная машина может использоваться как тепловой насос зимой, что повышает степень использования  солнечной системы и ее рентабельность.

Все возрастающий расход энергии на охлаждение домам.

Почти 40% всех потребностей в  энергии приходится в современной Европе на долю зданий, и большая половина -  на долю частных домов. И хотя в последние 20 лет расход энергии на отопление дома постепенно снижается благодаря использованию новых технологий в строительстве, расход энергии на охлаждение дома растет с каждым годом. Причиной этому являются все возрастающие термические нагрузки, обусловленные использованием электрических приборов для создания приятного климата внутри помещения, а также тенденция архитектуры последних лет использовать большие светопроницаемые площади. К 2020 году прогнозируется увеличение использования электрического климатического оборудования в домах на 10%.

Охлаждение с использованием солнечного тепла и солнечного тока

По причине соответствия обилия солнечных лучей в пиковые периоды использования охлаждающего оборудования, наиболее эффективным считается использование солнечной энергии для охлаждения. На практике делается следующее:

1.    солнечное излучение используется солнечными коллекторами таким образом, что получается обратный процесс: включается холодильный цикл и процесс прямого кондиционирования воздуха. 2.    особенностью является использование солнечного излучения в специальных сферах. Например, в медицине для охлаждения медикаментов в случае, если поблизости нет электрической сети. Благодаря фотогальваническому генератору производится солнечный ток, который запускает холодильный цикл, как правило, это компрессионная холодильная машина.

Солнечная энергия экономит ток и предотвращает выброс СО2 в атмосферу.

В противовес традиционной электрической компрессионной холодильной технике, солнечная система охлаждения имеет ряд преимуществ. Во-первых, ее хладагент не наносит вред окружающей среде. Зачастую в ней используется вода, что в отличие от традиционных хладагентов электрической холодильной техники  не создает парниковый эффект.  Так как эта система по сути своей является вспомогательной для работы насоса, служит для обратного охлаждения и так далее, то при правильном подключении она требует совсем немного электричества. То есть, помимо того, что СО2 не попадает в атмосферу, на общую сеть дополнительная нагрузка не ложится. Это особенно актуально для южных регионов, где летом из-за подключения к сети большого количества охлаждающей техники, постоянно происходят перегрузки сети. Помимо охлаждения эта солнечная система может подогревать воду для хозяйственных нужд и поддерживать систему отопления. Кроме того, ее звуковая эмиссия заметно ниже, чем у другой техники или компрессоров.

Термические холодильные машины

Сердцем любой солнечной системы охлаждения является термический процесс охлаждения или кондиционирования. Представленные на рынке термические солнечные системы работают на принципе сорбции. Жидкий или газообразный материал либо наносится на твердую или пористую субстанцию (адсорбция), либо из жидкости превращается в твердый материал (абсорбция). В некоторых циклах приточный воздух кондиционируется, то есть поддерживается определенная температура и влажность. Так как, как правило, речь идет об атмосферном воздухе, который не рециркулирует, можно говорить об открытом цикле. При закрытом цикле вода, которая циркулирует по закрытому гидравлическому кругу, охлаждается.

Открытый цикл для зданий с высокой влажностью и воздухообменом

Этот метод основывается на принципе сорбции, то есть, атмосферный воздух высушивается, а затем посредством рекуперации тепла как напрямую, так и не напрямую испарительным охлаждением доводится до заданной температуры. Обычно для сушки воздуха используют ротор, который в качестве сорбента содержит силикагель или хлорид лития, однако в последнее время внимание привлекает цикл с использованием жидкого сорбента. Различные предприятия предлагают подобную технику, тепло используется лишь для регенерации сорбента.Использование открытого цикла особенно интересно в зданиях с повышенной влажностью и воздухообменом. Но необходимо установить систему входящего и отходящего воздуха и технику для рекуперации тепла. Этот цикл можно комбинировать с закрытым циклом для производства холодной воды.

Закрытый цикл для производства холодной воды

Закрытые сорбционные холодильные машины основываются на следующих сорбционных процессах:1.    адсорбция. В этом методе используются твердые сорбенты. Обычно это силикагель или цеолит. А в качестве сорбционного материала вода или хладагент.2.    абсорбция. Сорбентом здесь выступает жидкость. Промышленная техника использует пару бромид лития и в качестве сорбционного материала воду или хладагент, либо воду, а в качестве сорбционного материала аммиак. Благодаря использованию последней пары можно добиться температуры ноль градусов.

Коэффициент производительности

Эффективность термических холодильных машин оценивается при помощи коэффициента производительности. Это аналог рабочего числа компрессионных холодильных машин, которое определяется как выгода на издержки, то есть, произведенный холод на потребовавшееся для этого тепло. Типичные значения для машин первого уровня составляют 0,5-0,8. Порядок величин этих значений не сравнить со значениями компрессионных холодильных машин, так как они работают на электрическом токе.

Коэффициент производительности сильно зависит от температуры трансмиссии, от необходимой холодной воды и от температуры охлаждающей воды в холодильном цикле. Повышения коэффициента производительности можно добиться благодаря использованию эффективной техники или производственно-техническими мероприятиями, сокращению объемов используемого тепла и как следствие  сокращение процесса холодопроизводительности.

Это положительно сказывается на эксплуатационных расходах. Описанные технологии уже много лет используются для производства холода на крупных предприятиях(>100кВт). Машины меньшей мощности (<20кВт) появились на рынке совсем недавно.

Установка солнечной системы охлаждения

Основной принцип работы установки солнечной системы охлаждения представляет собой следующее. Поле коллектора превращает попадающие на него лучи в тепло, которое наполняет накопитель. Накопитель обеспечивает всех потребителей энергией: сорбционную холодильную машину для охлаждения, или для отопления, а также для подогрева воды. Когда солнечной энергии недостаточно (например, облачные дни или зима) используется традиционный отопительный котел. Для того чтобы система работала эффективно, необходимо, чтобы ее компоненты правильно подбирались, устанавливались и запускались, а также, чтобы работал общий пульт управления.

Плоские коллекторы и коллекторы с вакуумными трубками для различных холодильных циклов

Стандартные плоские коллекторы теряют свою эффективность при высоких температурах. По большей части они подходят для адсорбционных холодильных машин, которые надежно работают при относительно невысоких температурах (от 65°C), иные холодильные циклы требуют как правило температуру запуска более 75°C. Подобного можно достичь, используя либо усовершенствованные плоские коллекторы (с антибликовым покрытием или с  двойным остеклением), либо используя коллекторы с вакуумными трубками. Если коллектор инсталлируется в какую-либо площадь, то таким образом достигается компромисс между использованием солнечного покрытия и ограничением инвестиционных издержек и сведения к минимуму риска стагнации. Однако точное определение параметров коллекторов зависит от местоположения, от степени нагрузки.

Частично противоречивые требования к накопителям

Накопители являются переходным устройством системы и должны соответствовать  в чем-то противоречивым требованиям. В холодный период они должны быстро достигать температуры запуска холодильной машины, для этого требуется небольшая мощность. Чтобы обеспечить бесперебойную работу в период прохождения облаков, требуются большие мощности, такая же ситуация и с процессом отопления. Поэтому накопитель независимо от объемных расходов должен обеспечивать стабильное температурное расслоение. На практике необходим объем примерно 50 литров на один квадратный метр площади коллектора.

Гибридные холодильные машины и сухие охладители с опрыскивателем

Обратное охлаждение оказывает большое влияние на мощность и эффективность работы холодильной машины. В большинстве машин обратное тепло передается окружающей среде через сухой охладитель или «влажному» башенному охладителю. Первый вариант подходит для современных кондиционеров, которые работают, когда внешняя температура превышает 30 градусов. Влажное обратное охлаждение имеет одно преимущество, что температура охлаждающей воды может быть ниже атмосферной температуры. Однако она функционирует только тогда, когда относительная влажность воздуха позволяет испарительное охлаждение. Этот метод также не подходит для регионов с ограниченным водоснабжением. К тому же, влажное увлажнение во многих странах не соответствует гигиеническим требованиям, что делает его экономически невыгодным. Гибридные охладители или сухие охладители с опрыскивателем сочетают в себе преимущества обоих этих методов. Все их объединяет то, что на вентилятор приходится достаточно большой процент расхода энергии. Поэтому рекомендуется использовать специальные моторы. Чтобы сократить потребление электрической энергии, должна быть отрегулирована зависимость от производственных условий и потребность в охлаждении. В зависимости от заданных условий обратное тепло может быть отведено иным образом. Для этого используются зонды, бассейны, колодезная вода. В идеале, применить отходящее тепло в другой сфере. В цикле холодной воды охладительной машины предпочтительна работа на больших температурах. Поэтому для распределения холода подходит  активизация конструктивных элементов. При воздушном охлаждении разница температур составляет в среднем 7-12 градусов, что показывает высокую эффективность кондиционеров. Но при этом должны быть установлены конвекторы. Чтобы сократить использование дополнительной электрической энергии для работы насосов, необходимо использовать для гидравлических циклов трубы в продольной разрезе согласно предписанию производителя. Поэтому рекомендуется использовать высокоэффективные насосы. Рекомендуемый выбор компонентов и правила их эксплуатации оказывают на процесс значительное влияние. При этом следует учитывать, что краевые условия, которые не соответствуют названным условиям,  оказывают сильное влияние на мощность холодильной машины. Поэтому в случае, если невозможно выставить названные условия, необходимо обратиться к производителю для получения подробной информации. Так как сухой противоточный охладитель можно использовать и в теплом климате, при соответственном использовании солнечных термических установок.

Использование солнечного охладителя, дополнительные расходы на нагрев горячей воды и поддержку системы отопления.

На решение, стоит ли устанавливать солнечный охладитель, обычно влияние оказывает фактор дополнительных нагрузок. Должно быть соответствие между имеющимся солнечным излучением и потребностью в охлаждении, так как использование ископаемых горючих материалов для работы охладительных машин с точки зрения энергетики невыгодно и должно избегаться. Чтобы добиться максимально высокого уровня использования солнечной энергии, рекомендуется использовать данные приборы не только для охлаждения, но и для нагрева в другое время года, например для нагрева горячей воды или поддержки системы отопления. Особенно это касается квартир и небольших офисных зданий. Если весь год существует потребность в охлаждении воздуха (процесс охлаждения помещения, где находится сервер), солнечная холодильная техника может использоваться в качестве «источника экономии ископаемого топлива» традиционного процесс охлаждения воздуха. В этом случае в холодное время года выходом может быть прямое охлаждение противоточным охладителем.