Sunčani rashladni sustavi
    Ponedjeljak, 30 Srpanj 2012 10:59

    Sunčani rashladni sustavi

    Sunčano se hlađenje odnosi na sve vrste sustava hlađenja koji koriste Sunčevu energiju. To se može realizirati pasivno preko Sunca fotonaponom tj. elektricitetom iz Sunčeva svjetla ili izravnom primjenom Sunčeve toplinske energije. Primjena Sunčeva zračenja za hlađenje vrlo je zanimljiva. Hlađenje je najviše potrebno onda kad je jačina Sunčeva zračenja najveća, pa postoji sukladnost između potreba i mogućnosti. Sunčevo hlađenje je jedna od najprivlačnijih primjena Sunčeve energije.  Osnovno načelo rada takvih sustava je u tome da se toplina koristi za isparavanje odnosno odvajanje rashladnog medija iz smjese apsorbenta i rashladnog medija koji su pod tlakom. Kondenzacija tih para dovodi do istog rashladnog učinka kao i u klasičnim mehaničkim rashladnim sustavima. Iako je i u takvim sustavima potrebna električna energija za pumpe i drugo, ipak se postiže znatna energetska ušteda u odnosu na klasične kompresorske uređaje. Takvi sustavi obično se projektiraju da zadovolje cjelokupnu rashladnu potrebu tijekom cijelog toplog razdoblja, odnosno, ne ugrađuju se dodatni klasični rashladni uređaji, već se za oblačnih dana koriste neki drugi načini dovoda topline sustavu (prirodni plin ili tekuće gorivo).

    Dakle, tzv. „termalni kompresor" se sastoji od apsorbera, generatora, pumpe i uređaja za povrat smjese. U ovakvom rashladnom sustavu „termalni kompresor" zamjenjuje klasični. Najznačajniji dio ovog sustava je apsorber. U njemu se ispareni rashladni medij apsorbira natrag u smjesu. Ta smjesa se zatim uz pomoć pumpe prenosi u generator. Tamo rashladni medij opet isparava koris- teći dovedenu mu toplinu, a iskorištena smjesa se potom opet vraća u apsorber. Dvije najviše uobičajene komponente tih smjesa su voda – litijev bromid (H2O – LiBr) i amonijak - voda (NH3 - H20).

    U sustavu sunčanog hlađenja rabi se oko 63 % energije na apsorpciju rashladne tvari, a za to potrebna toplinska energija dobiva se djelovanjem Sunčevog zračenja. Većina velikih apsorpcijskih rashladnih uređaja kao i malih kućanskih hladnjaka kada rade na apsorpcijskom načelu koriste smjesu amonijaka i vode (NH3 - H20). Ciklus apsorpcijskog uređaja zasnovan je na termodinamičkim svojstvima dvojnih smjesa, a njihov odabir zasniva se na ocjeni bilanci tvari i topline.

    2

    SUNČANI APSORPCIJSKI RASHLADNI UREĐAJI
    Kao pogonska energija u sunčanim apsorpcijskim rashladnim uređajima koristi se toplina dobivena iz  sunčanih toplinskih pretvornika djelovanjem Sunčeva zračenja. Pritom se kružni proces odvija s pârom radnih tvari, od kojih je jedna rashladna tvar, a druga otapalo, tj. apsorbent. Koriste se dvije vrste sunčanih apsorpcijskih rashladnih uređaja:
    - Apsorpcijski rashladni uređaji s kontinuiranim pogonom
    - Apsorpcijski rashladni uređaji s periodičnim pogonom

    Sunčani apsorpcijski rashladni u ređaji s kontinuiranim pogonom. 
    Za sunčane klimatizacijske sustave najprikladniji su uređaji s kontinuiranim pogonom. Toplinsku energiju za pogon mogu dobiti iz sunčanih pretvornika raznih izvedbi, ravnih ili vakuumskih. Sunčani su apsorpcijski rashladni uređaji u načelu slični konvencionalnim apsorpcijskim rashladnim strojevima na plin, odnosno vodenu paru. Pogonska se toplina dobiva ili izravno iz pretvornika, ili iz nekog spremnika topline.

    Ako se koriste spremnici topline onda oni mogu dati generatoru, tj. kuhalu ili uparivaču, toplinsku energiju upravo onda kada je hlađenje prostora potrebno. Na slici 1 prikazano je povezivanje apsorpcijskog rashladnog medija sa sunčanim sustavom. Apsorpcijski rashladni uređaj sa smjesom (par radnih tvari), voda - litijev bromid (H20 - LiBr) najprikladniji su za klimatizaciju zgrada. Sunčani se krug sastoji iz visokoučinkovitog pločastog ili vakuumskog kolektora SK i spremnika topline ST. Navedeni sunčani sustav sadrži i ostale sastavnice kao što su dodatni grijač, cirkulacijske crpke, ekspanzijske posude, sigurnosni ventil i drugo. Sunčani apsorpcijski rashladni uređaj voda - litijev bromid (H20 - LiBr) rashladnog učinka od 10 do preko 500 kw, instalirani su širom svijeta u stambenim i poslovnim zgradama.

    Za dobivanje potrebne toplinske energije za pogon generatora pare,većinom se primjenjuju pločasti ili vakumskocijevni kolektori. Tehnički problemi mogu biti; vlastita potrebna energija za pumpu, ventilator, rashladni toranj, kao i neprikladna regulacija kod čestog uključivanja i isključivanja. Apsorpcijski rashladni uređaj priprema rashlađenu vodu za hlađenje zraka u klima komorama. U pravilu je temperatura u generatoru oko 88 do 96 ˚C, u kondenzatoru oko 75 °C, i isparivaču oko 5 ˚C. Te veličine odnose se na smjesu voda - litijev bromid (H20 - LiBr). Apsorpcijski rashladni uređaj sastoji se iz generatora G, kondenzatora K, prigušnih ventila PV, isparivača I, izmjenjivača topline W i apsorbera A. Svi ti dijelovi nalaze se u jednoj kompaktnoj cjelini.

    Među prvim instaliranim sunčanim apsorpcijskim rashladnim uređajima bio je onaj u hotelu Belroy Palace u Benidormu u Španjolskoj 1992. godine. Sustav služi za hlađenje prostorija ljeti i grijanje zimi, te za sanitarnu toplu vodu za osmokatnu hotelsku zgradu. Sastoji se od 328 vakumskocijevnih pretvornika s ukupnom površinom od 344,4 m² podijeljenih u 47 grupa po 7 modula (cijevi). Toplina iz pretvornika zimi se izravno koristi za grijanje hotela, a ljeti se ta topla voda temperature oko 96°C, koristi kao radni medij za pogon generatora apsorpcijskog rashladnog stroja. Godišnji energetski doprinos kolektorskog polja iznosi oko 367 kWh/god.

    U sustavu su instalirana tri spremnika tople vode od po 12 m³ svaki ukupnog sadržaja 36 m³, te još tri spremnika po 1,2 m³ za pripremu potrošne tople vode. Instaliran je sunčani apsorpcijski rashladni uređaj voda - litijev bromid (H20 - LiBr) rashladnog učinka od 125 kW koji izmjenjivaču topline voda - zrak u sustavu klimatizacije hotela isporučuje vodu ohlađenu na 9 °C. Korištenjem Sunčeve energije ukupna godišnja potrošnja toplinske energije kotla tekućeg goriva učinka 500 kW smanjena je za 30 %. U razdoblju niskog Sunčevog zračenja, sunčani energetski sustavi ipak zahtijevaju potporu drugih energetskih izvora u obliku konvencionalnih toplinskih sustava. Takvi sustavi obično rabe prirodni plin ili tekuće gorivo.

    U Prištini na Kosovu od 2003. god. radi apsorpcijski klimatizacijski uređaj (H20 - LiBr) rashladnog učinka 2 puta po 70 kW koji dobiva toplinu od pretvornika površine 226 m³.

    U Arizoni u SAD-u od 2006. god. radi apsorpcijski klimatski uređaj (H20 - LiBr) rashladnog učinka 70 kW koji za svoj pogon dobiva toplinsku energiju od kolektora površine 126 m².

    Treba spomenuti jedan veći sunčani apsorpcijski klimatizacijski uređaj (H20 - LiBr) rashladnog učinka dva puta po 512 kW i površine kolektora od 638 m², instaliran 2006. godine u Kini. Hlađenje i zagrijavanje potrošne tople vode Sunčevom energijom instalirano je u prvom redu za sportsku dvoranu površine 1.305 m², a zatim i za druge prostore u olimpijskom naselju "Quingdao". Postrojenje je u kombinaciji s lokalnim toplovodnim sustavom i osobito se koristi kod pokrivanja vršne potrošnje.

    U Lisabonu je 2008. god. u jednoj od najvećih banaka u Portugalu „Caixa Geral de Depositos", postavljen apsorpcijski klimatizacijski uređaj (H20 - LiBr) rashladnog učinka 545 kW, dosad najveći u svijetu koji za svoj pogon dobiva toplinu iz pretvornika površine 1.579 m².

    Na novosagrađenom United World Collegu u Singapuru u ovoj godini bit će puštena u rad najveća instalacija s apsorpcijskim rashladnim strojem snage 1.500 kW.

    Sunčani apsorpcijski rashladni uređaji u povremenom radu
    Ovi sunčani apsorpcijski rashladni uređaji rade u točno određenim vremenskim razmacima. Posebna vrsta sunčanih apsorpcijskih rashladnih uređaja je u pogonu s ciklusom od 24 sata. Prema dnevnom hodu Sunčeva zračenja, kružni se proces sastoji od zagrijavanja danju i hlađenja noću. Za te je uređaje karakteristično povezivanje dviju funkcija u jednu komponentu. Tako pretvornik  po danu ispunjava funkciju generatora (pod a), a po noći apsorbira (pod b). Za hlađenje hrane, odnosno lijekova, u sunčanim periodičnim rashladnim uređajima često se kao par radnih tvari upotrebljava amonijak - voda (NH3 - H2O).

    Apsorpcijom Sunčeva zračenja amonijakova para u generatoru izdvaja se iz jake otopine i kondenzira u kondenzatoru. Tekući se amonijak skuplja u spremniku i vodenom plaštu. Noću se kondenzator hladi uz otvoren transparentni pokrov. Pritom pada tlak u sustavu, tako da amonijak u spremniku isparava. Za to potrebna toplina se oduzima vodi u plaštu isparivača. Voda se pri tom hladi do -5 ˚C uz stvaranje leda. Nastalu paru apsorbira slaba otopina u apsorberu kolektora koja se time obogaćuje i postaje jaka otopina.

    Sunčani apsorpcijski rashladni uređaji s otvorenim kružnim tokom
    U klimatizaciji vrućih i suhih klima zrak će se samo hladiti, a u područjima s vrućom i vlažnom klimom zraku se najprije oduzima vlaga (primjerice s pomoću tekućeg ili krutog sredstva za sušenje), a zatim se ohladi. Za klimatizaciju u vrućim i vlažnim klimatskim područjima može se uporabiti otopina litijeva klorida (LiCl - H2O), kalcijeva klorida (CaCl - H2O) ili tritilenglikol - vode. Proces s tekućim sredstvom za sušenje sastoji se od dijela za oduzimanje vlage zraku u prostoriji pomoću sredstva za sušenje, dijela za hlađenje zraka isparavanjem i dijela za sunčano obnavljanje (regeneraciju) sredstva za sušenje. Tekuće sredstvo za sušenje, na primjer tritilenglikol, prima vlagu iz zraka u apsorberu pri niskoj temperaturi. Hlađenje zraka odvija se u isparivačkom hladnjaku. U odvojenoj (separacijskoj) koloni na povišenoj temperaturi sredstvu za sušenje voda se oduzima strujom Suncem zagrijanog zraka. U postupku s krutim sredstvom za sušenje zrak se suši prolaskom kroz nasuto zrnato sorpcijsko sredstvo (sorbent) gdje se vlažnost također odvaja pomoću Suncem zagrijanog zraka. Isparavanjem vode raspršene u struji zraka, zrak se hladi. Za ponovno korištenje topline i povećanje stupnja korisnosti sustava rabe se izmjenjivači topline (mogu se primijeniti i spremnici od šljunka).

    Slaba otopina litijeva klorida od apsorbera se pomoću pumpe (P1) dovodi razdjelnoj cijevi (RC) koja je u načelu rada i izmjenjivač topline. Pri tom strujanju otopine, preko otvorenoga pločastog pretvornika ispari voda. Kod toga raste koncentracija litijeva klorida (Li Cl) u tekućoj otopini koja preko razdjelne cijevi izmjenjivača topline (RC) ponovno odlazi u apsorber (A). U apsorberu također struji vodena para iz isparivača (I). Kod dovođenja topline pomoću rashladne vode preko izmjenjivača, u apsorberu dolazi do apsorpcije vodene pare i razrijeđene otopine. U isparivaču će se raspršena voda djelomičnim isparavanjem ohladiti. Pumpa (P2) crpi ohlađenu vodu u izmjenjivač topline (W), gdje se topli zrak prostora (TZ) hladi (HZ). Pri tim procesima predviđeno je odzračivanje otopine i kompenzacija gubitka vode. Ovi uređaji se mogu koristiti samostalno ili u spoju s kompresijskim rashladnim strojem. Pritom je u samostalnom pogonu potrebna temperatura isparivača od 7 ˚C, a oko 10 ˚C u spojenom pogonu sa kompresorskim strojem


    SUNČANI ADSORPCIJSKI RASHLADNI UREĐAJI
    Ovi rashladni uređaji rade s poroznim tvarima (sorbentima), kao na primjer silikagelom, koji mogu apsorbirati velike obujme para (adsorbent). Sadržaj pare u čvrstom sorbentu, ovisi o temperaturi para rashladnih tvari i tlaku adsorbenta. To omogućava adsorpciju odnosno desorpciju u adsorbentu promjenom temperature, i temelj je periodičnog sorpcijskog hlađenja. Rashladni uređaj mora imati visoku entalpiju isparavanja. Koriste se sljedeći parovi radnih tvari: kalcijev klorid (adsorbent) - amonijak (rashladni medij), zeolit - voda, zeolit - etanol i aktivni ugljen - metanol. Najveću djelotvornost s koeficijentom hlađenja od 0,14 ima par radnih tvari aktivni ugljen – metanol.

    Zeoliti su alumosilikati s kristalnom strukturom i mikroporama na kojima se mogu apsorbirati polarne molekule. Zeoliti mogu primiti više od 30 % vode, koja se dovođenjem topline opet može izdvojiti na temperaturama oko 100 ˚C. Na temelju te termičke desorpcije i adsorpcije vode može se napraviti spremnik za niske temperature.

    Par radnih tvari zeolit - voda često se rabi u dizalicama topline. Taj par usto dobro djeluje kao spremnik, jer se kružni proces mora prekinuti nakon primanja topline i nastavlja se koristiti tek kada se traži korisna toplina. Hladnoća (-5˚C) i toplina (75˚C) mogu se istodobno proizvoditi iskorištavanjem otpadne topline konvencionalnih rashladnih strojeva.

    Način rada periodičnog sunčanog adsorpcijskog rashladnog uređaja jednog malog sunčanog hladnjaka za lijekove, s parom radnih tvari zeolit - voda. Prilikom porasta temperature u pretvorniku, danju se odvija desorpcija vode iz vodom zasićenog zeolita koji se nalazi u pretvorniku. Vodena se para kondenzira u kondenzatoru i kondenzat teče uslijed sile teže u isparivač koji je u izoliranom ormaru u kojem se nalazi materijal kojeg treba hladiti (npr. lijekovi). Noću se odvija isparavanje vode s oduzimanjem topline iz unutrašnjosti ormara tako da temperatura u ormaru može pasti ispod 0°C. Vodenu paru u kolektoru apsorbira zeolit. Za prespajanje sa dnevnog na noćni način rada služi jedan ventil.

    Način rada sunčanog adsorpcijskog rashladnog uređaja postavljen na Sveučilišnoj klinici u Freiburgu u Njemačkoj koji je u pogonu od 1999. godine. Taj adsorpcijski rashladni uređaj sastoji se od adsorpcijskog rashladnog stroja rashladnog učinka 70 kW, vakumsko-cijevnih kolektora, površine 90 m² i četiri spremnika tople vode po 2 m³ i jednog spremnika hladne vode obujma 2 m³.

    Sunčani rashladni uređaji sa suhim isparavanjem
    U ukupnom sustavu hlađenja na sunčane rashladne uređaje sa suhim isparavanjem otpada oko 29 %. Za sunčane rashladne uređaje sa suhim isparavanjem za adsorpciju se koriste krute tvari kao na primjer: silikagel, zeolit i sol kristala litijeva klorida (LiCl). U slučaju da je adsorpcijski materijal litijev klorid, struktura materijala je celulozna, a temperatura obnavljanja (regeneracije) je ispod 70 °C. U slučaju da je adsorpcijski materijal silikagel, tada je keramička struktura materijala, dok je temperatura obnavljanja (regeneraciije) ispod 95 °C. Kad bi adsorpcijski materijal bio titanijev silikat, tada bi temperatura obnavljanja bila nešto ispod 120 °C.

    U Palermu na Siciliji na sveučilišnoj zgradi Odsjeka za energetiku i okoliš postavljen je hibridni sunčani rashladni uređaj sa suhim isparavanjem rashladnog učinka od 29kw i toplinskog učinka od 11 kw. Površina pretvornika iznosi 22,5 m², a obujam spremnika tople vode iznosi 600 litara. U sustavu je i plinski kotao za dogrijavanje.


    FOTONAPONSKO SUNČANO HLAĐENJE
    Fotonaponske ćelije mogu dobavljati električnu struju za pokretanje rashladnih strojeva, neovisno o kompresorima koje isti koriste (mehaničke ili termalne kompresore). Najčešća primjena je za pokretanje sustava za hlađenje na temelju konvencionalnih mehaničkih kompresora, koji su najmanje učinkoviti.

    Tehnologija fotonaponskih ćelija se najčešće primjenjuje za hlađenje prostora gdje je potrebna mala snaga (manja od 5 MW godišnje). Fotonaponski sustavi za napajanje opreme koja koristi električnu energiju pri hlađenju donedavno nisu bili isplativi. Razlog tome je vrlo loša djelotvornost takve opreme. Štoviše, usporedbe fotonaponskih sustava s drugim sustavima koji se koriste u procesima koje nazivamo sunčano hlađenje pokazuju njihovu najmanju energetsku učinkovitost. Korištenjem učinkovitije opreme taj odnos se može promijeniti. Za stupanj djelovanja fotonaponskog sustava vrijedi:

    ηuk = ηg • ηp

    gdje je:
    ηuk = ukupni stupanj djelovanja
    ηg = stupanj djelovanja fotonaponskog generatora
    ηp = stupanj djelovanja izmjenjivača jednosmjerne u izmjeničnu struju

    Za vrijednosti ηg = 0,11 i ηp = 0,95 dobijemo da je ukupna djelotvornost fotonaponskog sustava ηuk = 0,11 • 0,95 = 0,104. U oba se slučaja još mora uzeti u obzir stupanj djelovanja ηm (oko 70 %) električnog motora za pogon kompresora. 

    Zaključak
    Sunčeva energija kao izrazito prihvatljiv obnovljivi izvor energije mogla bi u bliskoj budućnosti postati glavnim nositeljem ekološki održivog energetskog razvoja. Proces pretvorbe Sunčeve energije u energiju hlađenja vrlo je zanimljiv, jer je hlađenje najviše potrebno onda kad je jačina Sunčeva zračenja najveća, pa postoji sukladnost između potreba i mogućnosti. Velika toplina Sunca zahtijeva veliku energiju hlađenja, a što je energija Sunca jača, to sunčani rashladni sustav bolje radi. Sunčano hlađenje razvija se brže nego se prvotno pretpostavljalo. Sada je na snazi zamisao da se treba pridržavati toga da se uči na pogriješkama, da treba raditi na optimalizaciji postrojenja i razmjeni iskustava. Glavni problem leži u točnom usklađivanju rashladnog opterećenja i dimenzioniranja rashladnog stroja. Velike se nade polažu u male zrakom hlađene 4,5 kW kompaktne apsorbere koji se mogu instalirati slično kao i uređaji za klimatizaciju prostora koji rade na električni pogon. Za ovakve male apsorbere zainteresirane su zemlje Sredozemlja. Postoje brojni primjeri većih sunčanih rashladnih postrojenja, najviše u hotelima, koji su se uz niz prednosti pokazali i ekonomičnim. To posebno vrijedi ako se pretvornik u zimskom razdoblju rabe za grijanje prostorija i sanitarnu toplu vodu. Sunčani sustavi za hlađenje predstavljaju zasad još uvijek nove i preskupe tehnologije. Dosta veliki period amortizacije i cijena predstavljaju kočnicu u njihovoj široj primjeni. Isplativost ovih uređaja varira o geografskim i klimatskim uvjetima, a najviša pogodnost se postiže upravo tamo gdje ima dovoljno sunčanih sati za grijanje zimi, a ljeti za hlađenje. Radne tvari u sunčanim rashladnim uređajima neznatno utječu na ozonski sloj, dok CFC spojevi (freoni) (engl. CFC - Chlorofluorocarbons) opasno utječu na onečišćenje stratosfere, jer se ne mogu razbiti u troposferi. Zbog velikog potencijala razaranja ozona, mnogi proizvođači CFC spojeva (freona) koji se rabe u kompresorskim rashladnim uređajima postupno obustavljaju proizvodnju, što je uređeno zakonom i podzakonskim propisima. Također, radne tvari u sunčanim rashladnim uređajima manje utječu na učinak staklenika, od- nosno manje utječu na poremećaj toplinske ravnoteže Zemlje.

    Pripremio: Jakov Zanki, dipl.ing., pom. str. I klase
    Pročitano 2014 puta

    Energetski Projekti

    hrastovic energetski projekti banner

    Energetski Video

    hrastovic energetski video banner

    Energetski Članci

    hrastovic energetski clanci banner

    Random video

    Udruga SOLAR

    Udruga SOLAR  je nastala 2011. godine kao potreba organiziranja civilnog društva u smjeru korištenja i primjene obnovljivih izvora energije, primjene alternativnih izvora energije te povećanja energijske učinkovitosti na razini korisnika i lokalne zajednice.

    Opširnije

    O nama

    Hrastović Inženjering d.o.o. od 2004. se razvija u specijaliziranu tvrtku za projektiranje i primjenu obnovljivih izvora energije. Osnova projektnog managementa održivog razvitka društva je povećanje energijske djelotvornosti klasičnih instalacija i zgrada te projektiranje novih hibridnih energijskih sustava sunčane arhitekture.

    Cijeli živi svijet pokreće i održava u postojanju stalni dotok Sunčeve energije, a primjenom transformacijskih tehnologija Sunce bi moglo zadovoljiti ukupne energetske potrebe društva.

    Kontakt info

    HRASTOVIĆ Inženjering d.o.o.

    Dario Hrastović, dipl.ing.stroj.

    Kralja Tomislava 82
    31417 Piškorevci
    Hrvatska

    E-mail:dario.hrastovic@gmail.com
    Fax: 031-815-006
    Mobitel:099-221-6503
    © HRASTOVIĆ Inženjering d.o.o. - design & hosting by Medialive