Vyššie nároky na tepelnú pohodu a narastajúcu tepelnú záťaž vedú v posledných desaťročiach vo vyspelých krajinách k nárastom potreby chladenia a klimatizácie v budovách. V súčasnej dobe sa chladenie a klimatizácia začína presadzovať už nielen v administratívnych budovách, ale aj v bytovom sektore. Tradičné technológie, zastúpené elektricky poháňanými kompresorovými chladiacimi zariadeniami, vykazujú niektoré významné nevýhody: Ide napríklad o vysokú cenu za chladenie a výraznú spotrebu elektrickej energie pre jeho výrobu, s ktorou súvisia problematické energetické špičky a výpadky elektrickej siete (black-outy) v extrémoch tepelnej záťaže budov v letnom období a ďalej použitie chladív s problematickým dopadom na životné prostredie.
Alternatívou k chladiacim zariadeniam poháňaným elektrickou energiou (vlhčenie, chladenie) sú zariadenia využívajúce pre pohon tepelnú energiu z obnoviteľných zdrojov alebo odpadové teplo [1]. Zvlášť sľubné je využitie slnečnej energie - vzhľadom na skutočnosť, že doba, kedy slnečné žiarenie dosahuje svoje maximum, takmer korešponduje so špičkami tepelnej záťaže v budovách (letné obdobie). Z toho dôvodu je v poslednom desaťročí práve kombinácia solárnych tepelných kolektorov a teplom poháňanej klimatizácie predmetom mnohých štúdií, výskumných úloh a demonštračných projektov [2, 3, 4].
Na obr. 1 sú uvedené rôzne technológie využitia slnečnej energie na chladenie a klimatizáciu. Niektoré technológie sú aplikovateľné už dnes (napr. absorpčné chladiace jednotky s kvapalným sorbentom v uzavretom cykle, alebo otvorený cyklus s desikačným rotačným výmenníkom), iné sú v štádiu výskumu a vývoja (otvorený cyklus s kvapalným sorbentom, uzavretý cyklus s tuhým sorbentom) a niektoré sú iba hypotetické z hľadiska obmedzenej využiteľnosti v praxi (fotovoltaickými článkami poháňané kompresorové chladiace jednotky). Stredom záujmu sú v súčasnosti predovšetkým technológie využívajúca teplo zo solárnych kolektorov na "výrobu" chladiacej vody, úpravu vzduchu (klimatizáciu) alebo kombináciu oboch. Z hľadiska spôsobu zaobchádzania s chladivom je možné rozlíšiť systémy s uzatvoreným alebo otvoreným cyklom.
Systémy s uzatvoreným cyklom
Systémy s uzatvoreným cyklom sa používajú pre výrobu chladiacej vody s použitím v akomkoľvek type klimatizačného zariadenia.
Absorpčný uzavretý cyklus
Absorpčné chladiace jednotky sú všeobecne známe a zavedené na trhu, predovšetkým v USA a Ázii. Absorpčný cyklus je v podstate podobný parnému kompresorovému cyklu. Zásadným rozdielom je spôsob stlačenia chladiva (viď obr. 2, v ľavej časti schémy). V absorpčnej jednotke je stlačenie chladiva (kompresia) docielené najprv rozpustením chladiva v kvapalnom sorbente v absorbéri (absorpčné teplo je odvedené), a potom je bohatý roztok prečerpaný na vyšší tlak bežným obehovým čerpadlom. Chladivo s nízkym bodom varu sa odpudzuje z roztoku teplom dodaným zo solárnych kolektorov do desorbéru (generátora). Týmto spôsobom je chladivo stlačené bez vysokej spotreby mechanickej práce ako u parných kompresorových cyklov. Pary chladiva sa potom zrážajú v kondenzátore (kondenzačné teplo je odvedené) a po expanzii na nízky tlak sa opäť vyparujú vo výparníku. Tým je zaistený chladiaci účinok a vo výparníku je vode odoberané teplo určené na účely chladenia (výroba chladu). Pary chladiva sú potom vrátené do roztoku v absorbéri, kde sa znova rozpúšťajú. Medzi absorbérom a desorbérom sa obehovým čerpadlom dopravuje bohatý a ochudobnený roztok s rekuperáciou tepla v tepelnom výmenníku.
V zásade sa používajú dve kombinácie pracovných látok (roztok / chladivo): LiBr / H2O pre teploty chladiacej vody od 6 do 20 °C a H2O / NH3 pre teploty od -60 do 20 °C. Chladiace faktory jednostupňových cyklov sa pohybujú medzi 0,6 a 0,7 pre teploty teplonosnej látky solárneho okruhu 80 až 100 °C. Relatívne nízky chladiaci faktor a s ním súvisiaca potreba veľkej plochy solárnych kolektorov u jednostupňového cyklu je možné zlepšiť viacstupňovým cyklom, avšak pri vyšších prevádzkových teplotách: dvojstupňový cyklus s chladiacim faktorom 1,0 až 1,4 pri 120 až 170 °C, trojstupňový cyklus s chladiacim faktorom 1,7 pri teplotách nad 200 °C. U viacstupňoývch cyklov ide v princípe o využitie tepla uvoľneného v absorbéri k pohonu prídavných desorbérov, zvyšujúc (dvakrát, trikrát) množstvo vypudeného chladiva z roztoku bez ďalšej potreby tepla. Hoci tieto zariadenia boli vyvinuté pre použitie s plynom ako zdrojom tepla, je možné ich adaptovať pre použitie s vysokoteplotnými solárnymi kolektormi (vakuové, koncentračné).
Absorpčné chladiace jednotky sú používané vo väčšine súčasných prevádzkovaných solárnych klimatizačných systémov. Jednotky sú na trhu dostupné predovšetkým vo výkonových radoch nad 200 kW, iba malá časť je vyrábaná vo výkonoch pod 100 kW. Výskum sa v súčasnosti zameriava na ekonomicky prijateľné chladiace jednotky s malým výkonom pod 10 kW a dostatočnou účinnosťou pri nízkych teplotách zdroja tepla (lacné solárne kolektory).
Adsorpčný uzatvorený cyklus
Na rozdiel od absorpčného cyklu, ktorý využíva kvapalného roztoku, v adsorpčnom cyklu je kvapalné chladivo adsorbované do vysoko pórovitej pevnej látky. Dvojice látok používaných v adsorpčných systémoch sú voda-silikagél či voda-zeolit. Principiálne znázornenie adsorpčnej chladiacej jednotky je uvedené na obr. 3. Chladivo pohltené v poréznej štruktúre jednej z komôr (desorbéru) sa odpudzuje teplom privedeným zo solárnych kolektorov, čím dôjde k regenerácii desorbéru. Pary chladiva sa potom zrážajú v kondenzátore v hornej časti jednotky (kondenzačné teplo je odvedené). Zkondenzované chladivo (kondenzát) je rozprášené do výparníka, kde sa odparuje za nízkeho tlaku. Vo výparníku sa pripravuje chladiaca voda pre použitie v klimatizácii. Potom je chladivo adsorbované v druhej komore a adsorpčné teplo je odvedené. Keď je cyklus dokončený (adsorbér je naplnený chladivom, desorbér je regenerovaný) a chladivo je uvedeným spôsobom prenesené z jednej komory do druhej, funkcie oboch komôr sa medzi sebou vymenia. Adsorbér sa stáva desorbérom a naopak, čím sa dosiahne kvázi kontinuálna prevádzka chladiacej jednotky.
Adsorpčné chladiace jednotky vyrába iba niekoľko výrobcov (Japonsko). Vysoké náklady, vysoká hmotnosť a objem sú zatiaľ hlavnými nevýhodami týchto zariadení. Na druhej strane, adsorpčné jednotky môžu pracovať pri teplotách solárneho okruhu 60-80 ° C a dosiahnuť v tejto oblasti vyšších chladiacich faktorov ako absorpčné jednotky (0,3 až 0,7). To je výhodné pre použitie bežných solárnych kolektorov.
Desikačné systémy s otvoreným cyklom
Desikačné systémy sú všeobecne otvorené sorpčné cykly, kde chladivom je voda v upravovanom vzduchu. Názov „otvorený cyklus" napovedá, že chladivo (voda, resp. vodná para) je po zaistení chladiaceho účinku zo systému odvedená a nahradená novým. Desikant (sorbent, hygroskopický materiál), ktorý zabezpečuje výmenu citeľného a skupenského tepla v upravovanom prúde vzduchu, môže byť buď tuhý alebo kvapalný. V oboch typoch systémov upravovaný vzduch najskôr prechádza odvlhčovačom, kde stráca vlhkosť a potom prechádza niekoľkými procesmi (ohrev, vhlkosť), než je dopravený do klimatizovaného priestoru. Desikant je regenerovaný vonkajším alebo odpadovým vzduchom ohriatym na vysokú teplotu teplom zo solárnych kolektorov.
Desikačné systémy s otvoreným cyklom majú oproti uzavretým systémom niekoľko výhod: prevádzka pri atmosférickom tlaku, okrem chladenia zaisťuje aj odvlhčenie upravovaného vzduchu; ale aj nevýhod: veľké prietoky vzduchu spojené s vysokými parazitnými stratami, možná kontaminácia desikantu nečistotami a prachom (obmedzenie životnosti). Chladiace faktory sa pohybujú od 0,5 do 1,0.
Systémy s tuhým desikantom
Desikačné systémy s tuhým sorbentom sú v oblasti klimatizácie bežnou a odskúšanou technológií predovšetkým pre väčšie budovy. Tuhý desikant (silikagel, zeolit) je spravidla nanesený na voštinové koleso (rotačný entalpický výmenník) rotujúci medzi dvoma prúdmi vzduchu: čerstvým a odpadovým. Polovina kolesa vysušuje prúd čerstvého vzduchu a druhá odovzdáva adsorbovanú vlhkosť odpadovému vzduchu.
Na obr. 4 je znázornené typické usporiadanie klimatizačné jednotky s rotačným entalpickým a rekuperačným výmenníkom. Vonkajší čerstvý vzduch prichádza do jednotky, kde sa v rotačnom desikačnom výmenníku vysušuje a ohrieva. Potom je vzduch ochladený v rotačnom rekuperačnom výmenníku a doplnkovom chladiacom zariadení (adiabatická práčka vzduchu, zvlhčovač) a prípadne sa dohrieva (v zime) na požadované parametre. Odpadový vzduch je najskôr ochladený (adiabatická práčka vzduchu), aby mohol ďalej ochladiť čerstvý vzduch v rekuperačnom rotačným výmenníku. Predhriaty vzduch z rekuperačného rotačného výmenníka prechádza tepelným výmenníkom (ohrievačom) a je ohrievaný teplom zo solárnych kolektorov. Odpadový vzduch ohriaty na teplotu požadovanú pre regeneráciu - vysušenie (50 až 140 ° C) desikantu odvádza vlhkosť z desikačného výmenníku do vonkajšieho prostredia.
Systémy s kvapalným desikantom
Kvapalné desikanty, ktoré absorbujú vodu, sú zvyčajne rovnaké ako sa používajú v absorpčných systémoch (LiBr, LiCl). Princípom desikačného systému s kvapalným sorbentom je hybridný cyklus založený na absorpčnom uzavretom cykle (absorpcia a vypudzovanie vodnej pary v roztoku) a otvorenom desikačnom cykle (úprava čerstvého vzduchu pre klimatizáciu).
Takýto systém prináša niekoľko výhod, predovšetkým vnútornú rekuperáciu tepla medzi bohatým zohriatym roztokom a chudobným studeným roztokom vo výmenníku tepla, jednoduchú cirkuláciu sorbentu kvapalinovým čerpadlom, nízku tlakovú stratu vplyvom dobrého kontaktu kvapalina-vzduch a teda nízke straty. Zásoby koncentrovaného roztoku môžu slúžiť ako akumulátory na výrobu chladu. Ak je k dispozícii slnečná energia, je možné pripraviť zásobu koncentrovaného roztoku a využiť ho pre chladenie v neskoršej dobe. Desikačný systém s kvapalným sorbentom má tiež určitý čistiaci účinok na privádzaný vzduch. Na druhej strane jednou z hlavných nevýhod je potenciálne odvádzanie desikantu vzduchom, čo môže viesť k strate desikantu a kontaminácii privádzaného čerstvého vzduchu.
Bohužiaľ, na trhu zatiaľ nie sú k dispozícii desikačné systémy s kvapalným sorbentom využiteľné pre klimatizáciu budov. Z toho vyplýva aj takmer mizivý počet solárnych klimatizačných systémov využívajúcich kvapalné desikanty.
Solárne kolektory a zostavy
Zásadným krokom oproti štandardným tepelne poháňaným chladiacim a klimatizačným zariadeniam je aplikácia solárnych kolektorov ako zdroja tepla. Cieľom využitia slnečnej energie aj pre klimatizáciu je docieliť výrazné zníženie spotreby primárnych palív v období, keď je nadbytok slnečného žiarenia. Určitou výzvou je skutočnosť, že s rastúcou "hnacou" teplotou sorpčného cyklu sa zvyšuje jeho účinnosť. Solárne chladiace a klimatizačné sústavy s využitím slnečnej energie vyžadujú vyššiu teplotnú hladinu ako solárne sústavy na prípravu teplej úžitkovej vody či vykurovanie.
Relatívne vysoké teploty v cykloch vedú k vývoju a aplikácii pokročilých solárnych kolektorov. V úvahu prichádzajú predovšetkým solárne kolektory s transparentnou izoláciou a trubicové vákuové kolektory, ale je možné použiť aj kvalitné selektívne kolektory (α > 0,95, ε < 0,05). Na obr. 5 je zobrazené porovnanie štandardných kriviek účinnosti neselektívneho solárneho kolektoru (N), selektívneho solárneho kolektoru (S) a trubicového vákuového kolektoru (T) v závislosti na strednej teplote teplonosnej látky. Do grafu sú vynesené typické hodnoty teplôt vhodných pre funkciu uvažovaných chladiacich cyklov.
Výskum a vývoj solárnych kolektorov použiteľných pre sústavy solárneho chladenia a klimatizácie sa zameriava na zlepšenie účinnosti pri vysokých teplotných hladinách, na zníženie ceny zvlášť pri aplikácii do veľkých kolektorových polí, možnosť integrovať kolektorové polia do obálky budov a pod.
Rôzne cykly a princípy solárneho chladenia vyžadujú rôzne teploty primárneho zdroja tepla. Kým jednostupňové absorpčné chladiace jednotky s nízkym chladiacim faktorom začínajú typicky na 80 ° C, desikačné klimatizačné zariadenia môžu byť prevádzkované už od 60 ° C. Aby bolo možné porovnať potrebnú plochu solárnych kolektorov, danú ich účinnosťou ηcol a danú chladiacim faktorom chladiaceho zariadenia pri danej pracovnej teplote solárneho okruhu ts, možno definovať solárny chladiaci faktor
Na základe solárneho chladiace faktoru je možné potom stanoviť optimálnu prevádzkovú teplotu daného cyklu a typu kolektoru (viď obr. 6).
V strednej Európe tvoria približne 1/3 solárnych inštalácií kombinované solárne sústavy na prípravu TUV a prikurovanie, u ktorých sa v závislosti na okrajových podmienkach (technické parametre budovy, klimatické podmienky, návrh sústavy) dosahuje solárny podiel od 20 do 45%. Tieto solárne sústavy sú predimenzované vďaka krytiu potreby tepla v zimnom období a v letnom období vykazujú vysoké energetické zisky, ktoré je potrebné mariť (pokiaľ nie je iný spotrebič tepla, napr. bazén). To samozrejme môže viesť k potenciálnym problémom spojeným s varom teplonosnej látky, jej degradáciou, prípadne poškodením nevhodne navrhnutých častí solárnej sústavy.
Využitie letných prebytočných ziskov v kombinovanej sústave solárneho vykurovania a chladenia (klimatizácie) môže viesť jednak k vyššiemu komfortu spoločne s vyšším podielom využitia slnečnej energie v celkovom energetickom zásobovaní obytných či administratívnych budov. Solárne sústavu na prípravu TUV, vykurovanie a klimatizáciu (viď obr. 7) je dôležité dimenzovať s ohľadom na zimné vykurovanie a takisto aj na letné chladenie. Kým pre veľké administratívne budovy je možné využiť chladiace jednotky štandardných výkonových radov, pre potenciálne aplikácie pre bežné bytové a rodinné domy sú potrebné chladiace jednotky s nízkym chladiacim výkonom (2 až 10 kW). Akumulačný zásobník so záložným zdrojom tepla umožňujú preklenúť prípadnú nesúrodosť odberu tepla a chladu.
Záver
Solárne chladenie a klimatizácie urobili v poslednom desaťročí veľký krok vpred. Spolu s vývojom v oblasti teplom hnaných obehov narastá potenciál pre prípadné aplikácie. Bohužiaľ, skúsenosť so sústavami využívajúcimi slnečnú energiu pre chladenie je zatiaľ krátkodobá (pilotné a demonštračné projekty). Avšak, vzhľadom k nárastu cien energií, k poruchám dodávky elektrickej energie vplyvom klimatizáciou spôsobenému preťaženiu sietí v letnom období a stále rastúcemu povedomiu o ekologických dopadoch konvenčných chladív, sa solárne chladenie a klimatizácie môže stať atraktívnou cestou do budúcnosti.
Literatúra 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 prostredia
