Využití sluneční energie pro chlazení a klimatizaci v budovách

Potřeba energie pro chlazení a klimatizaci se zvyšuje, zvláště v rozvinutých zemích. Chladicí systémy poháněné teplem z obnovitelných zdrojů nebo odpadních surovin jsou slibnou alternativou klasických zařízení. Tento článek popisuje možnosti využití sluneční energie pro chlazení budov.

Úvod

Vyšší nároky na tepelnou pohodu a narůstající tepelná zátěž vede v posledních desetiletích ve vyspělých zemích k nárůstu potřeby chlazení a klimatizace v budovách. V současné době se chlazení a klimatizace začíná prosazovat již nejen v administrativních budovách, ale také v bytovém sektoru. Tradiční technologie, zastoupené elektricky poháněnými kompresorovými chladicími zařízeními, vykazují některé významné nevýhody, např. je to vysoká cena chladu a výrazná spotřeba elektrické energie pro jeho výrobu, s níž souvisí problematické energetické špičky a výpadky elektrické sítě (black-outy) v extrémech tepelné zátěže budov v letním období a dále použití chladiv s problematickým dopadem na životní prostředí.

Alternativou k chladicím zařízením poháněným elektrickou vlhčení, chlazení), aby dosáhl požadovaných parametrů (teplota,energií jsou zařízení využívající pro pohon tepelnou energii z obnovitelných zdrojů nebo odpadní teplo [1]. Zvláště slibné je využití sluneční energie vzhledem ke skutečnosti, že maxima slunečního záření téměř koresponduje se špičkami tepelné zátěže v budovách (letní období). Z toho důvodu je v posledním desetiletí právě kombinace solárních tepelných kolektorů a teplem poháněné klimatizace předmětem mnoha studií, výzkumných úkolů a demonstračních projektů [2, 3, 4].

Na obr. 1 jsou uvedeny různé technologie využití sluneční energie pro chlazení a klimatizaci. Některé technologie jsou aplikovatelné již dnes (např. absorpční chladicí jednotky s kapalným sorbentem v uzavřeném cyklu, nebo otevřený cyklus s desikačním rotačním výměníkem), jiné jsou ve stádiu výzkumu a vývoje (otevřený cyklus s kapalným sorbentem, uzavřený cyklus s tuhým sorbentem) a některé jsou pouze hypotetické z hlediska omezené využitelnosti v praxi (fotovoltaickými články poháněné kompresorové chladicí jednotky). Středem zájmu jsou v současné době především technologie využívající teplo ze solárních kolektorů pro „výrobu” chladicí vody, úpravu vzduchu (klimatizaci) nebo kombinaci obou. Z hlediska způsobu zacházení s chladivem je možné rozlišit systémy s uzavřeným nebo otevřeným cyklem.

Obr. 1: Možnosti využití sluneční energie pro chlazení a klimatizaci

Systémy s uzavřeným cyklem

Systémy s uzavřeným cyklem se používají pro výrobu chladicí vody s použitím v jakémkoli typu klimatizačního zařízení.

Absorpční uzavřený cyklus

Absorpční chladicí jednotky jsou obecně známé a zavedené na trhu, především v USA a Asii. Absorpční cyklus je v podstatě podobný parnímu kompresorovému cyklu. Zásadním rozdílem je způsob stlačení chladiva (viz obr. 2, v levé části schématu). V absorpční jednotce je stlačení chladiva (komprese) docíleno nejprve rozpuštěním chladiva v kapalném sorbentu v absorbéru (absorpční teplo je odvedeno), a poté je bohatý roztok přečerpán na vyšší tlak běžným oběhovým čerpadlem. Chladivo s nízkým bodem varu je vypuzeno z roztoku teplem dodaným ze solárních kolektorů do desorbéru (generátoru). Tímto způsobem je chladivo stlačeno bez vysoké spotřeby mechanické práce jako u parních kompresorových cyklů. Páry chladiva se poté srážejí v kondenzátoru (kondenzační teplo je odvedeno) a po expanzi na nízký tlak se opět vypařují ve výparníku. Tím je zajištěn chladící účinek a ve výparníku je odebíráno teplo vodě určené pro účely chlazení (výroba chladu). Páry chladiva jsou potom navráceny do roztoku v absorbéru, kde se znovu rozpouštějí. Mezi absorbérem a de-sorbérem se oběhovým čerpadlem dopravuje bohatý a ochuzený roztok s rekuperací tepla v tepelném výměníku.

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 0,6 a 0,7 pro teploty teplonosné látky solárního okruhu 80 až 100 °C. Relativně nízký chladicí faktor a s ním souvisící potřeba velké plochy solárních kolektorů u jednostupňového cyklu lze zlepšit vícestupňovým cyklem, avšak při vyšších provozních teplotách: dvojstupňový cyklus s chladicím faktorem 1,0 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, zvyšujíc (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 (vakuové, koncentrační).

Absorpční chladicí jednotky jsou používány ve většině současných provozovaných solárních klimatizačních systémů. Jednotky jsou na trhu dostupné především ve výkonových řadách nad 200 kW, pouze malá část je vyráběna ve výkonech pod 100 kW. Výzkum se v současné době zaměřuje na ekonomicky přijatelné chladicí jednotky s malým výkonem pod 10 kW a dostatečnou účinností při nízkých teplotách zdroje tepla (levné solární kolektory).

Obr. 2: Schéma solárního jednostupňového absorpčního cyklu

Adsorpční uzavřený cyklus

Na rozdíl od absorpčního cyklu, který využívá kapalného roztoku, v adsorpčním cyklu je kapalné chladivo adsorbováno do vysoce porézní pevné látky. Dvojice látek používané v adsorpčních systémech jsou voda-silikagel či voda-zeolit. Schématický nákres adsorpční chladicí jednotky je uveden na obr. 3. Chladivo pohlcené v porézní struktuře jedné z komor (desorbéru) je vypuzeno teplem přivedeným ze solárních kolektorů, čímž dojde k regeneraci desorbéru. Páry chladiva se potom srážejí v kondenzátoru v horní části jednotky (kondenzační teplo je odvedeno). Zkondenzované chladivo (kondenzát) je rozprášeno do výparníku, kde se odpařuje za nízkého tlaku. Ve výparníku se připravuje chladicí voda pro použití v klimatizaci. Poté je chladivo adsorbováno v druhé komoře a adsorpční teplo je odvedeno. Když je cyklus dokončen (adsorbér je naplněn chladivem, desorbér je regenerován) a chladivo je uvedeným způsobem přeneseno z jedné komory do druhé, funkce obou komor se mezi sebou vymění. Adsorbér se stává desorbérem a naopak, čímž se dosáhne kvazi-kontinuálního provozu chladicí jednotky.

Adsorpční chladicí jednotky vyrábí pouze několik výrobců (Japonsko). Vysoké náklady, vysoká hmotnost a objem jsou zatím hlavními nevýhodami těchto zařízení. Na druhé straně, adsorpční jednotky mohou pracovat při teplotách solárního okruhu 60–80 °C a dosáhnout v této oblasti vyšších chladicích faktorů než absorpční jednotky (0,3 až 0,7). To je výhodné pro použití běžných solárních kolektorů.

Obr. 3: Adsorpční chladicí jednotka

Desikační Systémy s otevřeným cyklem

Desikační systémy jsou obecně otevřené sorpční cykly, kde chladivem je voda v upravovaném vzduchu. Název „otevřený cyklus” napovídá, že chladivo (voda, resp. vodní pára) je po zajištění chladícího účinku ze systému odvedeno a nahrazeno novým. Desikant (sorbent, hygroskopický materiál), který zajišťuje výměnu citelného a skupenského tepla v upravovaném proudu vzduchu, může být buď tuhý nebo kapalný. V obou typech systémů upravovaný vzduch nejdříve prochází odvlhčovačem, kde ztrácí vlhkost a poté prochází několika procesy (ohřev, vhlkost), než je dopraven do klimatizovaného prostoru. Desikant je regenerován venkovním nebo odpadním vzduchem ohřátým na vysokou teplotu teplem ze solárních kolektorů.

Desikační systémy s otevřeným cyklem mají oproti uzavřeným systémům několik výhod: provoz za atmosférického tlaku, kromě chlazení zajišťuje i odvlhčení upravovaného vzduchu; ale také nevýhod: 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.

Obr. 4: Princip desikačního solárního chlazení

Systémy s tuhým desikantem

Desikační systémy s tuhým sorbentem jsou v oblasti klimatizace běžnou a odzkoušenou technologií především pro větší budovy. Tuhý desikant (silikagel, zeolit) je zpravidla nanesen na voštinové kolo (rotační entalpický výměník) rotující mezi dvěma proudy vzduchu: čerstvým a odpadním. Polovina kola vysušuje proud čerstvého vzduchu a druhá odevzdává adsorbovanou vlhkost odpadnímu vzduchu.

Na obr. 4 je znázorněno typické uspořádání klimatizační jednotky s rotačním entalpickým a rekuperačním výměníkem. Venkovní čerstvý vzduch přichází do jednotky, kde se v rotačním desikačním výměníku vysušuje a ohřívá. Poté je vzduch ochlazen v rotačním rekuperačním výměníku a doplňkovém chladicím zařízení (adiabatická pračka vzduchu, zvlhčovač) a případně se dohřívá (v zimě) na požadované parametry. Odpadní vzduch je nejdříve ochlazen (adiabatická pračka vzduchu), aby mohl dále ochladit čerstvý vzduch v rekuperačním rotačním výměníku. Předehřátý vzduch z rekuperačního rotačního výměníku prochází tepelným výměníkem (ohřívačem) a je ohříván teplem ze solárních kolektorů. Odpadní vzduch ohřátý na teplotu požadovanou pro regeneraci – vysušení (50 až 140 °C) desikantu odvádí vlhkost z desikačního výměníku do venkovního prostředí.

Systémy s kapalným desikantem

Kapalné desikanty, které absorbují vodu, jsou obvykle stejné jako se používají v absorpčních systémech (LiBr, LiCl). Principem desikačního systému s kapalným sorbentem je hybridní cyklus založený na absorpčním uzavřeném cyklu (absorpce a vypuzování vodní páry v roztoku) a otevřeném desikačním cyklu (úprava čerstvého vzduchu pro klimatizaci).

Takový systém přináší několik výhod, především vnitřní rekuperaci tepla mezi bohatým zahřátým roztokem a chudým studeným roztokem ve výměníku tepla, jednoduchou cirkulaci sorbentu kapalinovým čerpadlem, nízkou tlakovou ztrátu vlivem dobrého kontaktu kapalina-vzduch a tedy nízké parazitní ztráty. Zásoby koncentrovaného roztoku mohou sloužit jako akumulátory pro výrobu chladu. Pokud je k dispozici sluneční energie, je možné připravit zásobu koncentrovaného roztoku a využít ho pro chlazení v pozdější době. Desikační systém s kapalným sorbentem má také určitý čisticí účinek na přiváděný vzduch. Na druhé straně jednou z hlavních nevýhod je potenciální odvádění desikantu vzduchem, což může vést ke ztrátě desikantu a kontaminaci přiváděného čerstvého vzduchu.

Bohužel, na trhu zatím nejsou k dispozici desikační systémy s kapalným sorbentem využitelné pro klimatizaci budov. Z toho vyplývá i mizivý počet solárních klimatizačních systémů využívajících kapalné desikanty.

Solární kolektory a soustavy

Zásadním krokem oproti standardním tepelně poháněným chladicím a klimatizačním zařízením je aplikace solárních kolektorů jako zdroje tepla. Cílem využití sluneční energie i pro klimatizaci je docílit výrazného snížení spotřeby primárních paliv v období, kdy je nadbytek slunečního záření. Určitou výzvou je skutečnost, že s rostoucí „hnací” teplotou sorpčního cyklu se zvyšuje jeho účinnost. Solární chladicí a klimatizační soustavy s využitím sluneční energie vyžadují vyšší teplotní hladiny než solární soustavy pro přípravu teplé užitkové vody či přitápění.

Relativně vysoké teploty v cyklech vedou k vývoji a aplikaci pokročilých solárních kolektorů. V úvahu přicházejí především solární kolektory s transparentní izolací a trubicové vakuové kolektory, ale lze použít i kvalitní selektivní kolektory (α > 0,95, ε < 0,05). Na obr. 5 je zobrazeno porovnání standardních křivek účinnosti neselektivního solárního kolektoru (N), selektivního solárního kolektoru (S) a trubicového vakuového kolektoru (T) v závislosti na střední teplotě teplonosné látky. Do grafu jsou vyneseny typické hodnoty teplot vhodných pro funkci uvažovaných chladicích cyklů.

Obr. 5: Křivky účinnosti solárních kolektorů

Výzkum a vývoj solárních kolektorů použitelných pro soustavy solárního chlazení a klimatizace se zaměřují na zlepšení účinnosti při vysokých teplotních hladinách, na snížení ceny zvláště při aplikaci do velkých kolektorových polí, možnost integrovat kolektorová pole do obálky budov, apod.

Různé cykly a principy solárního chlazení vyžadují různé teploty primárního zdroje tepla. Zatímco jednostupňové absorpční chladicí jednotky s nízkým chladicím faktorem začínají typicky na 80 °C, desikační klimatizační zařízení mohou být provozovány už od 60 °C. Aby bylo možné porovnat potřebnou plochu solárních kolektorů, danou jejich účinností ηcol a danou chladicím faktorem chladicího zařízení při dané pracovní teplotě solárního okruhu ts, lze definovat solární chladicí faktor

COPsol = COP · ηcol

Na základě solárního chladicího faktoru lze potom stanovit optimální provozní teplotu daného cyklu a typu kolektoru (viz obr. 6).

Obr. 6: Stanovení solárního chladicího faktoru

Ve střední Evropě tvoří zhruba 1/3 solárních instalací kombinované solární soustavy pro přípravu TUV a přitápění, u kterých se v závislosti na okrajových podmínkách (technické parametry budovy, klimatické podmínky, návrh soustavy) dosahuje solárního podílu od 20 do 45 %. Tyto solární soustavy jsou předimenzované díky krytí potřeby tepla v zimním období a v letním období vykazují vysoké energetické zisky, které je nutné mařit (pokud není jiný spotřebič tepla, např. bazén). To samozřejmě může vést k potenciálním problémům spojeným s varem teplonosné látky, její degradací, případně poškozením nevhodně navrhnutých částí solární soustavy.

Využití letních přebytečných zisků v kombinované soustavě solárního vytápění a chlazení (klimatizace) může vést jednak k vyššímu komfortu společně s vyšším podílem využití sluneční energie v celkovém energetickém zásobování obytných či administrativních budov. Solární soustavu pro přípravu TUV, vytápění a klimatizaci (viz obr. 7) je nutné dimenzovat s ohledem jak na zimní vytápění a tak na letní chlazení. Zatímco pro velké administrativní budovy je možné využít chladicí jednotky standardních výkonových řad, pro potenciální aplikace pro běžné bytové a rodinné domy jsou potřeba chladicí jednotky s nízkým chladicím výkonem (2 až 10 kW). Akumulační zásobník se záložním zdrojem tepla umožňují překlenout případnou nesoučasnost odběru tepla i chladu.

Obr. 7: Solární soustava pro přípravu TUV, vytápění a chlazení

Závěr

Solární chlazení a klimatizace udělaly v posledním desetiletí velký krok kupředu. Spolu s vývojem v oblasti teplem hnaných oběhů narůstá potenciál pro případné aplikace. Bohužel, zkušenost se soustavami využívajícími sluneční energie pro chlazení je zatím krátkodobá (pilotní a demonstrační projekty). Nicméně, vzhledem k nárůstu cen energií, k poruchám dodávky elektrické energie vlivem klimatizací způsobenému přetížení sítí v letním období a stále rostoucímu povědomí o ekologických dopadech konvenčních chladiv, se solární chlazení a klimatizace může stát atraktivní cestou do budoucnosti.

Literatura a zdroje:

[1] Directive on the energy performance of buildings. COM/2002/91/EC.
[2] SOLHEATCOOL - Study and Development of Heating/ Cooling Systems Using Renewable Energy, (JOULE JOR3-CT97-0181), DG XII, E.C., (1998-2000).
[3] IEA - Solar Assisted Air-Conditioning of Buildings, TASK 25, Solar Heating and Cooling Programme, International Energy Agency, (1999-2004) (www.iea-shc-task25.org).
[4] SACE - Solar Air Conditioning in Europe, (The Fifth Framework Programme NNE5-2001-00025), DG XVII, E.C., (2002-2003).
[5] Henning, H.M.: Solar-Assisted Air-Conditioning in Buildings – A Handbook for Planners. Springer-Verlag Wien. ISBN 3-211-00647-8.

1 Ing. Tomáš Matuška, PhD., ČVUT, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí
Autor: Tomáš Matuška
Foto: Archiv ČVUT Praha