Солнечное кондиционирование воздуха или «кондиционирование воздуха на солнечной энергии» относится к любой системе кондиционирования (охлаждения) воздуха , которая использует солнечную энергию .
Это можно сделать с помощью пассивного солнечного проектирования, преобразования солнечной тепловой энергии и фотоэлектрического преобразования (солнечного света в электричество). Закон США об энергетической независимости и безопасности 2007 года [1] создал финансирование на 2008–2012 годы для новой программы исследований и разработок в области солнечного кондиционирования воздуха, которая должна разработать и продемонстрировать множество новых технологических инноваций и экономию за счет масштаба массового производства .
В конце 19 века наиболее распространенной жидкостью для абсорбционного охлаждения был раствор аммиака и воды. Сегодня также широко используется сочетание бромида лития и воды. Один конец системы труб расширения/конденсации нагревается, а другой конец становится достаточно холодным, чтобы сделать лед. Первоначально в конце 19 века в качестве источника тепла использовался природный газ. Сегодня пропан используется в абсорбционных холодильниках для автомобилей для отдыха. Солнечные тепловые коллекторы с горячей водой также могут использоваться в качестве современного источника тепла «свободной энергии». В спонсируемом Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) отчете в 1976 году рассматривались приложения солнечной энергии для кондиционирования воздуха. Обсуждаемые методы включали как солнечные (абсорбционный цикл и тепловой двигатель / цикл Ренкина ), так и связанные с солнцем (тепловой насос), а также обширную библиографию соответствующей литературы. [2]
Фотоэлектрические системы могут обеспечивать как косвенную солнечную энергию для кондиционирования воздуха, так и, теперь, прямую энергию для кондиционеров. Косвенная фотоэлектрическая энергия для кондиционеров состоит из солнечной энергии для всего дома или всего здания, что традиционно для большинства пользователей также означало чистое измерение в сети. Солнечная энергия в этом случае преобразуется в переменный ток (AC) для питания приборов в доме или здании, включая кондиционер(ы). Преимущество этого в том, что кондиционерам не нужна специальная электроника для размещения солнечной энергии, поэтому это простая реализация. Недостатком является то, что эти кондиционеры обычно имеют значение SEER 14 или меньше, и поставляемая солнечная энергия имеет некоторые потери от преобразования энергии постоянного тока ( постоянного тока ) в переменный ток еще до того, как она достигнет кондиционеров. Другим недостатком является то, что эти кондиционеры не могут работать, когда сеть отключена, поскольку, по сути, дом или здание с чистым измерением является узлом в сети, и коммунальные службы должны предотвратить обратную подачу энергии в обесточенную сеть, когда сеть отключена. И теперь кондиционеры, как и многие бытовые приборы (например, телевизоры, компьютеры), начинают работать на постоянном токе. Поэтому для таких устройств солнечные панели всего здания необходимо преобразовывать в переменный ток, а затем выпрямлять обратно в постоянный ток, что еще больше увеличивает неэффективность.
Вместо этого автономные солнечные батареи используют батареи для питания всего дома или всего здания. Такие системы используют контроллер напряжения для управления зарядкой батареи, а затем мощность батареи инвертируется для обеспечения переменного тока для дома или здания. Поскольку они не привязаны к сети или не измеряются в сети, они могут работать после того, как шторм или другое событие выведет из строя электросеть. Однако мощность, опять же, должна быть преобразована из постоянного тока от солнечных панелей и батарей в переменный ток путем инверсии для удаленной подачи питания на приборы.
Совсем недавно были разработаны настоящие солнечные фотоэлектрические кондиционеры тепловые насосы. Такие устройства работают на постоянном токе, и, как таковые, они могут и используют внутреннюю мощность постоянного тока, вырабатываемую фотоэлектрическими солнечными панелями. Одна мини-сплит-версия этих устройств использует шину питания постоянного тока 48 В и батарею 48 В, обычно 4 батареи по 12 В последовательно (например, Hotspot Energy). Однако в отличие от системы батарей для всего дома, эти батареи питают только кондиционер. Преимущество этих систем в том, что при достаточной солнечной и аккумуляторной емкости они могут работать ночью или в облачную погоду. Другая мини-сплит-версия позволяет подключать солнечные панели непосредственно к внешней части устройства, использует шину питания постоянного тока 310 В и предлагает опциональную резервную сетевую вилку 120 В (Airspool), которая может быть использована для восполнения нехватки солнечной энергии. Преимущество этих инверторных кондиционеров постоянного тока заключается в более низкой стоимости, а недостаток в том, что они не могут работать без солнечной энергии, если только они не подключены к сети. Обе эти системы используют технологию переменного потока хладагента с высокоэффективными двигателями постоянного тока с переменной скоростью и компрессорами, требующими очень малой мощности, и обе также предлагают тепло в дополнение к кондиционированию воздуха. Третий тип блока доступен для больших, обычно коммерческих, зданий и предлагает как сетевое, так и аккумуляторное резервное питание, а также дополнительный чистый учет. [ необходима цитата ] Как и два меньших блока, эти блоки являются VRF , но в отличие от них есть возможность управлять отоплением в одной части здания и кондиционированием воздуха в другой части, используя один внешний/конденсационный блок и несколько внутренних/испарительных блоков, расположенных в разных частях здания, для кондиционирования этих зон в зависимости от конкретных потребностей пользователя. [ необходима цитата ]
Фотоэлектрические системы можно комбинировать с геотермальными технологиями. Эффективная геотермальная система кондиционирования воздуха потребует меньшей и менее дорогой фотоэлектрической системы. Высококачественная геотермальная теплонасосная установка может иметь SEER в диапазоне 20 (±). Кондиционеру мощностью 29 кВт (100 000 БТЕ/ч) с SEER 20 потребуется менее 5 кВт во время работы.
На рынке также появляются новые некомпрессорные электрические системы кондиционирования воздуха с SEER выше 20. Новые версии фазовых охладителей косвенного испарения не используют ничего, кроме вентилятора и подачи воды для охлаждения зданий без добавления дополнительной внутренней влажности (например, в аэропорту Маккарран в Лас-Вегасе, Невада). В сухом засушливом климате с относительной влажностью ниже 45% (около 40% континентальной части США) охладители косвенного испарения могут достигать SEER выше 20 и до SEER 40. Охладитель косвенного испарения мощностью 29 кВт (100 000 БТЕ/ч) потребует достаточной фотоэлектрической мощности только для циркуляционного вентилятора (плюс подача воды).
Менее дорогая фотоэлектрическая система частичной мощности может сократить (но не исключить) ежемесячный объем электроэнергии, закупаемой из электросети для кондиционирования воздуха (и других целей). С субсидиями правительства США в размере от 2,50 до 5,00 долларов США за фотоэлектрический ватт, амортизированная стоимость электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими системами, может быть ниже 0,15 долларов США за кВт·ч. В настоящее время это экономически эффективно в некоторых районах, где электроэнергия от энергетической компании сейчас стоит 0,15 долларов США или больше. Избыточная электроэнергия, вырабатываемая фотоэлектрическими системами, когда кондиционирование воздуха не требуется, может быть продана в электросеть во многих местах, что может сократить или исключить ежегодную чистую потребность в покупке электроэнергии. (См. Здание с нулевым потреблением энергии )
Превосходная энергоэффективность может быть спроектирована в новом строительстве (или модернизирована в существующих зданиях). С момента создания Министерства энергетики США в 1977 году его Программа помощи в утеплении снизила нагрузку на отопление и охлаждение в 5,5 миллионах доступных домов с низким доходом в среднем на 31%. Сотням миллионов американских зданий по-прежнему требуется улучшенная утепленность. Небрежные традиционные методы строительства по-прежнему приводят к созданию неэффективных новых зданий, которые нуждаются в утеплении при первом заселении.
Земляные трубы для защиты или охлаждения могут использовать температуру окружающей среды земли, чтобы снизить или устранить обычные требования к кондиционированию воздуха. Во многих климатических зонах, где проживает большинство людей, они могут значительно снизить 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.
Трубы охлаждения Земли неэффективны в жарких влажных тропических условиях, где температура окружающей среды Земли приближается к зоне комфорта для человека. Солнечный дымоход или вентилятор с фотоэлектрическим питанием могут использоваться для отвода нежелательного тепла и втягивания более прохладного, осушенного воздуха, который прошел мимо поверхностей с температурой окружающей среды Земли. Контроль влажности и конденсации являются важными вопросами проектирования.
Геотермальный тепловой насос использует температуру окружающей среды для улучшения SEER для тепла и охлаждения. Глубокая скважина рециркулирует воду для извлечения температуры окружающей среды, обычно со скоростью 8 литров (2 галлона США) воды на метрическую тонну в минуту. Эти системы «открытого цикла» были наиболее распространены в ранних системах, однако качество воды могло привести к повреждению катушек в тепловом насосе и сократить срок службы оборудования. Другой метод — это система с закрытым циклом, в которой петля труб спускается в скважину или скважины, или в траншеи на газоне, чтобы охладить промежуточную жидкость. Когда используются скважины, они заполняют бентонитовым раствором или другим материалом для затирки, чтобы обеспечить хорошую теплопроводность к земле. [3]
Раньше жидкостью выбора была смесь пропиленгликоля 50/50, поскольку она нетоксична в отличие от этиленгликоля (который используется в автомобильных радиаторах). Пропиленгликоль вязкий и со временем забивает некоторые части в контуре(ах), поэтому он вышел из употребления. Сегодня [ когда? ] наиболее распространенным передаточным агентом является смесь воды и этилового спирта (этанола).
Температура окружающей среды намного ниже пиковой летней температуры воздуха и намного выше самой низкой экстремальной зимней температуры воздуха. Вода в 25 раз более теплопроводна, чем воздух, поэтому она намного эффективнее теплового насоса с внешним воздухом (который становится менее эффективным, когда наружная температура падает зимой).
Тот же тип геотермальной скважины можно использовать без теплового насоса, но с гораздо меньшими результатами. Вода с температурой окружающей среды прокачивается через закрытый радиатор (как автомобильный радиатор). Воздух продувается через радиатор, который охлаждается без компрессорного кондиционера. Фотоэлектрические солнечные электрические панели вырабатывают электроэнергию для водяного насоса и вентилятора, устраняя обычные счета за коммунальные услуги по кондиционированию воздуха. Эта концепция экономически эффективна, пока в месте температура окружающей среды ниже зоны теплового комфорта человека (не тропики).
Воздух может проходить через обычные твердые осушители (например, силикагель или цеолит ) или жидкие осушители (например, бромид/хлорид лития) для извлечения влаги из воздуха, что обеспечивает эффективный механический или испарительный цикл охлаждения. Затем осушитель регенерируется с использованием солнечной тепловой энергии для осушения в экономичном, низкоэнергетическом, непрерывно повторяющемся цикле. [4] Фотоэлектрическая система может питать низкоэнергетический вентилятор циркуляции воздуха и двигатель для медленного вращения большого диска, заполненного осушителем.
Системы вентиляции с рекуперацией энергии обеспечивают контролируемый способ вентиляции дома, сводя к минимуму потери энергии. Воздух пропускается через « колесо энтальпии » (часто с использованием силикагеля) для снижения затрат на обогрев вентилируемого воздуха зимой за счет передачи тепла от теплого внутреннего воздуха, выходящего наружу, свежему (но холодному) приточному воздуху. Летом внутренний воздух охлаждает более теплый входящий приточный воздух, что снижает затраты на охлаждение вентиляции. [5] Эта низкоэнергетическая система вентиляции с вентилятором и двигателем может быть экономически эффективно приведена в действие фотоэлектрическими элементами с улучшенной естественной конвекцией , выходящей вверх по солнечной трубе — нисходящий поток входящего воздуха будет принудительной конвекцией ( адвекцией ).
Осушитель, такой как хлорид кальция, можно смешать с водой, чтобы создать циркулирующий водопад, который осушает помещение, используя солнечную тепловую энергию для регенерации жидкости, а также работающий от фотоэлектрических батарей низкоскоростной водяной насос для циркуляции жидкости. [6]
Активное солнечное охлаждение, при котором солнечные тепловые коллекторы обеспечивают входную энергию для системы охлаждения осушителя. Существует несколько коммерчески доступных систем, которые продувают воздух через пропитанную осушителем среду как для осушения, так и для цикла регенерации. Солнечное тепло является одним из способов питания цикла регенерации. Теоретически насадочные башни могут использоваться для формирования противоточного потока воздуха и жидкого осушителя, но обычно не используются в коммерчески доступных машинах. Показано, что предварительный нагрев воздуха значительно улучшает регенерацию осушителя. Насадочная колонна дает хорошие результаты в качестве осушителя/регенератора, при условии, что падение давления может быть уменьшено с помощью подходящей насадки. [7]
При таком типе охлаждения солнечная тепловая энергия не используется напрямую для создания холодной среды или запуска каких-либо прямых процессов охлаждения. Вместо этого проектирование солнечных зданий направлено на замедление скорости передачи тепла в здание летом и улучшение отвода нежелательного тепла. Оно подразумевает хорошее понимание механизмов передачи тепла : теплопроводность , конвективный перенос тепла и тепловое излучение , последнее в основном от солнца.
Например, признаком плохого теплового проектирования является чердак, который летом нагревается сильнее, чем пиковая температура наружного воздуха. Это можно значительно уменьшить или устранить с помощью прохладной крыши или зеленой крыши , которая может снизить температуру поверхности крыши на 70 °F (40 °C) летом. Лучистый барьер и воздушный зазор под крышей будут блокировать около 97% нисходящего излучения от кровельного покрытия, нагретого солнцем.
Пассивное солнечное охлаждение гораздо проще реализовать в новом строительстве, чем приспосабливать существующие здания. Пассивное солнечное охлаждение имеет много особенностей проектирования. Это основной элемент проектирования здания с нулевым потреблением энергии в жарком климате.
В системах кондиционирования воздуха замкнутого цикла обычно используются следующие материалы для поглощения воды:
Альтернативой системам на водной основе является использование метанола с активированным углем. [8]
Активное солнечное охлаждение использует солнечные тепловые коллекторы для подачи солнечной энергии в термически управляемые охладители (обычно адсорбционные или абсорбционные охладители). [9] Солнечная энергия нагревает жидкость, которая обеспечивает теплом генератор абсорбционного охладителя и рециркулирует обратно в коллекторы. Тепло, подаваемое генератору, запускает охлаждающий цикл, который производит охлажденную воду. Полученная охлажденная вода используется для крупного коммерческого и промышленного охлаждения.
Солнечная тепловая энергия может использоваться для эффективного охлаждения летом, а также для нагрева бытовой горячей воды и зданий зимой. Одинарные, двойные или тройные итеративные абсорбционные циклы охлаждения используются в различных конструкциях систем солнечного теплового охлаждения. Чем больше циклов, тем они эффективнее. Абсорбционные охладители работают с меньшим шумом и вибрацией, чем компрессорные охладители, но их капитальные затраты относительно высоки. [10]
Эффективные абсорбционные охладители номинально требуют воду температурой не менее 190 °F (88 °C). Обычные недорогие плоские солнечные тепловые коллекторы производят только около 160 °F (71 °C) воды. Высокотемпературные плоские пластинчатые, концентрирующие (CSP) или вакуумные трубчатые коллекторы необходимы для производства требуемых более высоких температур теплоносителей. В крупномасштабных установках есть несколько проектов, которые успешно работают как технически, так и экономически, в мире, например, в главном офисе Caixa Geral de Depósitos в Лиссабоне с солнечными коллекторами площадью 1579 квадратных метров (17 000 квадратных футов) и мощностью охлаждения 545 кВт или в Олимпийской парусной деревне в Циндао/Китай. В 2011 году будет введена в эксплуатацию самая мощная установка в недавно построенном United World College в Сингапуре (1500 кВт).
Эти проекты показали, что плоские солнечные коллекторы, специально разработанные для температур свыше 200 °F (93 °C) (с двойным остеклением, усиленной изоляцией задней стороны и т. д.), могут быть эффективными и экономичными. [11] Там, где воду можно нагреть значительно выше 190 °F (88 °C), ее можно хранить и использовать, когда солнце не светит.
В Audubon Environmental Center в региональном парке имени Эрнеста Э. Дебса в Лос-Анджелесе имеется пример установки солнечного кондиционирования воздуха, [12] [13] которая вышла из строя вскоре после ввода в эксплуатацию и больше не обслуживается. [ требуется ссылка ] Southern California Gas Co. (The Gas Company) также тестирует практичность систем солнечного теплового охлаждения в своем Центре энергетических ресурсов (ERC) в Дауни, Калифорния . Солнечные коллекторы от Sopogy и Cogenra были установлены на крыше ERC и производят охлаждение для системы кондиционирования воздуха здания. [14] Город Масдар в Объединенных Арабских Эмиратах также тестирует двухэффектную абсорбционную охлаждающую установку с использованием параболических желобчатых коллекторов Sopogy , [15] массива Френеля Mirroxx и высоковакуумных солнечных тепловых панелей TVP Solar. [16]
Сортировочный центр FedEx Ground в Давенпорте, штат Флорида, использует солнечную тепловую систему кондиционирования воздуха для подачи прохладного воздуха в прицепы грузовиков, припаркованные у погрузочных ворот. [17]
В течение 150 лет абсорбционные охладители использовались для производства льда (до изобретения электрических лампочек). [18] 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. [19] Математические модели доступны в открытом доступе для расчетов производительности хранения тепловой энергии на основе льда. [20]
ISAAC Solar Icemaker — это прерывистый цикл поглощения солнечного аммиака и воды. ISAAC использует параболический желобчатый солнечный коллектор с компактной и эффективной конструкцией для производства льда без топлива или электроэнергии, а также без движущихся частей. [21]
Основными причинами использования концентрирующих коллекторов в системах солнечного охлаждения являются: высокоэффективное кондиционирование воздуха за счет сочетания с двух-/тройными охладителями; и солнечное охлаждение, обслуживающее промышленных конечных пользователей, возможно, в сочетании с технологическим теплом и паром. [22]
Что касается промышленного применения, то несколько исследований последних лет подчеркнули, что существует высокий потенциал для охлаждения (температуры ниже 0 °C) в различных регионах земного шара (например, Средиземноморье, [23] Центральная Америка [24] ). Однако этого можно достичь с помощью абсорбционных охладителей на основе аммиака/воды, требующих высокотемпературного подвода тепла к генератору в диапазоне (120 ÷ 180 °C), который может быть удовлетворен только концентрирующими солнечными коллекторами. Более того, для нескольких промышленных применений требуется как охлаждение, так и пар для процессов, и концентрирующие солнечные коллекторы могут быть очень выгодны в том смысле, что их использование максимизируется
Цели зданий с нулевым потреблением энергии включают устойчивые , зеленые строительные технологии, которые могут значительно сократить или исключить чистые годовые счета за электроэнергию. Высшим достижением является полностью автономное здание, не подключенное к электросети , которое не должно быть подключено к коммунальным компаниям. В жарком климате со значительными градусо-днями, требующими охлаждения, передовые солнечные системы кондиционирования воздуха будут становиться все более важным критическим фактором успеха .
