Добрый день. Начинаем эксперименты по использованию солнечной энергии для создания холодильного агрегата. Поскольку летом солнца много, девать его некуда. Горячее водоснабжение нас не сильно волнует. Нас интересует система кондиционирования дома на основе солнечного коллектора.
Видео блога “Одесский Инженер”
Какие части в кондиционере, работающем на солнечной энергии
Использовать в качестве холодильной машины будем аммиачный холодильник, его компрессорную часть, агрегат. Кристалл 404 – старый советский аппарат. Разобрали, сняли. Как он работает? Стоит керамический тэн, электрическая мощность 100 Ватт. При нагреве происходит реакция аммиака и воды. Разная температура кипения. Если в том месте нагреем, то получим охлаждение. Его проверял, электрически включал, работает. Поэтому, решено использовать его.
Сборка деталей коллектора для холода
Какая задача? Вытащили тэн, трубку выше-ниже, нагреть где-то до 150 градусов. Температура кипения воды – 100 градусов, тут давление, посмотрим. Даже, если 150 градусов не получится, 120-130 сможем прогреть. Используем солнечный концентратор небольшой, он остался, его размеры 1,10 на 80, 1 квадратный метр.
Пока сюда поставили нержавейку, осталась с наших экспериментов. Вместо вакуумной трубки поставили трубу. Почему? Тяжело сделать систему циркуляции с теплоносителем, при температуре 120-130 градусов. Поэтому-то будем греть железную трубу и сделаем переход чтобы тепло железной трубы передавалось на холодильный агрегат.
Оно простояло на солнце. Тут 79 градусов. Хотя солнце немножко взошло. Хотя понималось до 89. Этого маловато, нужно, скорее всего, уменьшать диаметр трубы, потери большие, нержавейка не справляется. Мощность нужна небольшая – 100 Ватт. Но температуру, желательно, хотя бы 120-130 градусов. Тут привод поворота не ставили. Слежение тоже не ставили, в общем-то оно все элементарно. Вращаем винтик и ловим фокус.
Задача передать нагрев, это тепло, температуру в холодильный агрегат.
Если это сможем физически сделать, то остается только немножко переделать гелио-систему чтобы летом она работала, как система охлаждения, центрального кондиционирования дома. Где вода в радиаторах охлаждаться. Под радиаторами поставим, наверно, небольшие вентиляторы, кулер. По возможности, конечно, сделаем фотопанель, чтобы оно было вообще энергонезависимым. Тем самым получим кондиционер, который летом работает от солнца и не зависит от электроэнергии.
Не секрет, что температура воды родника, колодца 2 - 5°С, её и будем использовать в качестве хладагента.
В крайнем случае, можно задействовать любую, желательно проточную, воду из ручья, реки, канавы, пруда. Здесь необходимо применить фильтр соответствующий размерам частиц загрязнения (указывается в характеристиках насоса). Опять-таки, можно сделать своими руками из подходящей сетки и проволочного каркаса.
При водоснабжении из колодца, фильтр не требуется.
Патрубок подачи воды от насоса / помпы подсоединяем к испарителю.
На испаритель (радиатор) крепим электровентилятор, в нашем случае малошумящий кулер или несколько кулеров от компьютера.
Допустим, Вам повезло, вы работаете в пункте приёма цветных металлов и этих радиаторов хоть завались. Закрепите два радиатора так, чтобы поток воздуха проходил через оба, а хладагент (вода) последовательно через каждый. Это значительно увеличит КПД кондиционера, т.к. КПД напрямую зависит от площади обдуваемой поверхности испарителя.
После внимательного изучения наших рекомендаций по установке солнечных батарей , сдаём экзамен любимой тёще, либо иному врагу народа.
Получив "зачет с занесением в грудную клетку", с превеликой осторожность лезем крепить солнечную батарею.
Насос для воды и кулер с рабочим напряжением 12 вольт подключаем параллельно, непосредственно к солнечной батарее.
Примитивная схема кондиционера автоматически начинает работу с первыми лучами солнца. Что особо приятно, т.к. именно в солнечный день потребность в охлаждении возрастает.
По мере увеличения инсоляции (освещённости) скорость вращения кулера увеличивается, так же как и производительность насоса кондиционера. В результате мощность кондиционера увеличивается пропорционально инсоляции.
Поскольку вентилятор и насос начинаю работать синхронно, на поверхности испарителя не возникает точки росы и конденсата соответственно.
В указанной конструкции устанавливается насос для воды производительностью 450 литров в час, напряжение 12 вольт, ток 2 ампера (фото слева). Либо аналогичный, из наличия, но чем ниже потребляемая мощность электроэнергии на 1 литр, тем лучше.
Аналогичный расчёт желателен и при выборе кулера.
Можно использовать и штатный электровентилятор отопителя, но у него весьма значительная потребляемая мощность. Порядка 90 Вт.
Тем не менее, стандартная монокристаллическая солнечная батарея с задачей справляется, хотя КПД снижается.
Цена кондиционера на солнечной батарее сопоставима с традиционным, но избавляет от оплаты счетов за электроснабжение.
Если вспомнить двухтарифный счетчик электроэнергии, Вы потребляете собственную энергию в дневные часы, наиболее дорогую.
Пустячёк, а приятно.
Для придания кондиционеру более эстетичного вида, желательно разместить конструкцию в подобающем корпусе, либо сделать самостоятельно из подручных материалов, вписывающихся в интерьер и концепцию глобализации экономики африканских племён. :-)
Не стоит привязываться к конкретно указанным деталям, хотя они подобраны оптимально, а потребляемая мощность кондиционера составляет порядка 50 Вт и зависит от высоты подъёма водяного столба. Мы изложили только устройство кондиционера и алгоритм работы.
Предложенную схему можно врезать в приточную вентиляцию.
Использование солнечной энергии для кондиционирования воздуха - привлекательная идея не только для южных регионов, где расходы на охлаждение являются определяющими в расходах тепла на поддержание в помещениях комфортных условий, но и для кондиционирования воздуха в общественных зданиях средних и даже северных регионов. Использование солнечной энергии для кондиционирования заманчиво и потому, что график прихода солнечной энергии совпадает с графиком потребления холода и потому, что добавление солнечного охлаждения к отоплению позволяет значительно улучшить экономику солнечного теплоснабжения.
Известны методы использования солнечной энергии для охлаждения могут быть разбиты на три класса: солнечный абсорбционное охлаждения, солнечно-механические системы и относительно солнечные системы, которые не работают от солнца, но используют для охлаждения некоторые компоненты солнечных систем. Внутри каждого класса систем можно было бы выделить свои подклассы, когда используются различные хладагентом, различные температурные уровни, а. следовательно, различные солнечные коллекторы, различные системы контроля.
Абсорбционное кондиционирования, основанное на поглощении хладоагентов растворами абсорбентов или адсорбентов, возможно осуществлять за счет солнечной энергии, если ее достаточно для осуществления основного этапа процесса регенерации рабочего вещества. Это могут быть закрыты циклы, например, с растворами бромистого лития в воде или растворами аммиака в воде, или открытые циклы, в которых хладагентом является вода, сочетаются с атмосферой. Остановимся кратко на некоторых абсорбционных солнечных охладителях, основанных на использовании водного раствора бромистого лития, раствора аммиака в воде и на осушительно-уволожнювальном кондиционировании воздуха. На сегодня абсорбционное кондиционирования за счет энергии от солнечных коллекторов и систем, аккумулирующих - наиболее простой подход к использованию солнечной энергии для кондиционирования (рис. 2.11). Сущность этой системы или ее разновидностей заключается в том, что генератор абсорбционных холодильников обеспечивается тепло от коллекторно-аккумуляторной системы.
Большинство используемых установок - бромистолитиеви машины водоохлаждаемый абсорбером и конденсатором. Поддержка температур в генераторе в пределах, обусловленных характеристиками плоских коллекторе) является решающим фактором, определяющим наряду с другими такие параметры, я эффективность теплообменников, температура охладителя.
Рис. 2.11. / - солнечный коллектор; 2 - бак-аккумулятор; 5 - дополнительный источник энергии; 4 - конденсатор; 5 - испаритель; б - абсорбер; 7 - теплообменник; 8 - генератор; 9 - трехпозиционный кран
Обычно в процессе солнечного кондиционирования используется водоохлаждаемый абсорбер и конденсатор, вызывает необходимость в градирни.
Разности давлений между линиями высшего и низшего уровней в системе ИлВг-Н20 весьма ограничены, так что эти системы могут использовать паровоздушные насосы и гравитационное возврата раствора из абсорбера в генератор. Поэтому отпадает необходимость в механических нагнетателях раствора с линии низкого в линию высокого давления.
Многие машины показывают достаточно стабильные значения коэффициента полезного действия, представляющий собой отношение холодопроизводительности к энергии, подведенной к генератору, как функцию изменения температуры генератора от рабочего уровня, обеспечиваемого минимумом соответствующих условий. Коэффициент полезного действия бромистолитиевих холодильников находится в пределах 0,6 ... 0,8. Если вода используется как охладитель, температуры в генераторе могут находиться в пределах 348 ... 368 К. Изменение температуры в генераторе, обеспечиваемая за счет солнечной энергии, приводит к изменению производительности холодильника. Температура теплоносителя, греющей должна быть выше, чем температура в генераторе. Здесь кроется некоторая несовместимость между необходимостью повышения температурного уровня и верхней границей температуры воды в накопителе танкера системы солнечного водонагревателя, не рассчитаны на высокое давление. К тому же температура 373 К является предельной для многих солнечных коллекторов и, кроме того, возникает необходимость в охлаждающих башнях.
В ранних экспериментах по созданию бромистолитиевих холодильников использовались промышленные абсорбционные машины без каких-либо переделок с учетом использования солнечной энергии. В дальнейшем холодильники стали меняться путем реконструкции генератора. Специальные эксперименты по применению солнечных установок большой производительности для обеспечения комфортных условий школы в Атланте были проведены Вестингхаузською электрической корпорацией. Исследование технико-экономических показателей подобных систем показали, что в южных районах комбинированное использование и охлаждения экономически более выгодно, чем отдельное отопление и охлаждение. Дальнейшие исследования направлялись на упрощение системы, облегчение ЕЕ эксплуатацию.
Система водоаммиачного холодильника похожа на ту, что изображена на рис. 2.11, за исключением того, что ректификационные секции должны быть соединены с верхней частью генератора для улавливания водяных паров, идущих от испарителя в конденсатор. Основные процессы в растворе сходны с процессами, происходящими в системе ЬиВг-Н20, однако давление и перепад давлений в системе намного выше. Для перекачки раствора из абсорбера в генератор нужны механические насосы. Во многих случаях у испытуемых установках конденсатор и абсорбер охлаждаются воздухом, при этом в генераторе температура находится в пределах 398 ... 443 К. Температура конденсации для кондиционеров с воздушным охлаждением соответствует более высоким температурам в генераторе, чем соответствующие параметры для системы с жидкостным охлаждением.
Есть достаточно совершенные установки, работающие за счет солнечной энергии с водоаммиачных системами. Температуры, которые необходимо создать в генераторах коммерческих холодильников, слишком высокие для современных плоских коллекторов, поэтому нужны фокусируя коллекторы и возникает необходимость создания как дешевых коллекторов такого типа, так и систем наблюдения за солнцем. Работы по водоаммиачных солнечными установками является продолжением исследований циклов, используют растворы с высокой концентрацией 1ч * Нз и направленных на уменьшение температур в генераторах. При создании солнечных холодильников наметились два пути: первый - прямое копирование существующих до сих пор холодильных машин, в том числе и абсорбционных, заменяя только энергетический источник, обеспечивающий работу генератора, второй - реконструкция генератора позволило уменьшить уровень температуры, обеспечивающей его работу и тем самым увеличить коэффициент использования солнечной энергии.
Институтом технической теплофизики НАН Украины было предложено осуществить регенерацию водно-солевых растворов абсорбционных холодильных установок путем испарения воды из них в окружающую среду, то есть сделать установки раздельного типа. При этом нагретый раствор приводится в соприкосновение с атмосферным воздухом в контактном массообменных аппарата, и испарение происходит за счет подвода тепла от внешнего источника. Потери хладагента при этом заполняют водопроводной водой. Величины потерь примерно эквивалентны потерям воды при отводе тепла конденсации в градирне. Применение такого способа регенерации (воздушной десорбции) позволяет уменьшить температуру раствора при регенерации на 12 ... 14 К, соответственно увеличивает КПД гелионагривача (солнечного коллектора с однослойным остекление и нейтральным поглотителем) на 30%.
Дальнейшим усовершенствованием установок с воздушной десорбцией появилось предложение до совмещения процессов нагрева солнечными лучами раствора и восстановление его концентрации. При этом раствор стекает тонкой пленкой по зачерненный поверхности (например, по кровле дома), омываемой наружным воздухом. В этом случае уменьшения температуры регенерации упрощает и, следовательно, удешевляет гелионагривачи и всю систему в целом. Для таких устройств как абсорбент обычно выбирают водный раствор хлористого лития. В отличие от раствора бромистого лития его использование позволяет получить холодную воду с температурой ниже 283 ... 285 К. Он обладает рядом преимуществ: меньшим удельным весом и рабочей концентрацией, пониженной коррозионной активностью, химической стабильностью (в процессе воздушной десорбции при контакте с воздухом в бромистолитиевому растворе возможно образование карбоната лития).
Принципиальная технологическая схема абсорбционной холодильной солнечной установки показана на рис. 2.12. Эта установка предназначена для охлаждения трехэтажного жилого дома. Как регенератор раствора используется односкатная крыша, ориентированный на юг, угол наклона его к горизонту около 5 °, площадь 180 м2.
Рис. 2.12. / - регенератор абсорбента; 2 - фильтр; С - теплообменник; 4 - вакуумный насос; 5,6- абсорбер - испаритель; 7-кондиционер; 8 - устройство вододобавкы; 9 - насос для кондиционной воды; 10- насос для перекачки хладагента (воды); 11 - линейный ресивер; 12- насос раствора абсорбента; 13 - градирня; 14 - насос для охлаждающей воды
Установка состоит из генератора раствора /, фильтра 2, теплообменника 3, абсорбера-испарителя 5-6 с линейным ресивером //, дренажного бака, поплавки регулятора, устройства вододобавкы в испаритель 8, вакуумнасоса 4, насосов для раствора, для хладагента (вода), для охлаждающей воды, для кондиционной воды, а также с запорных, регулирующих арматурных органов и др.
Установка работает следующим образом: кондиционная вода охлаждается в теплообменных трубах испарителя 6, паровая поверхность которого орошается кипящей при вакууме водой - хладагентом. Водяные пары, образующиеся абсорбируются в абсорбере 5 раствором хлористого лития, который при этом разбавляется. Теплота абсорбции отводится оборотной водой, поступающей из градирни. Воздух и другие газы, не конденсируются, удаляются из блока испарителя вакуумным насосом 4. Для восстановления концентрации слабый раствор подается на солнечный регенератор / через теплообменник 5, где предварительно нагревается. Крепкий раствор после регенерации сливается через воронку и направляется на абсорбцию. Он предварительно охлаждается в теплообменнике С, отдавая теплоту встречному потоку слабого раствора и воде с градирни. После этого слабый раствор поступает на орошение охлаждаемых трубок воздухоохладителя. Парогазовая смесь, удаляется из блока абсорбер-испаритель, перед поступлением в вакуумный насос омывает эти трубки и обогащается воздухом.
Раствор поступает в систему из регенератора, очищается от загрязнений в гравитационном фильтре 2. Кроме того, в схеме предусмотрены фильтры тонкой очистки от взвешенных частиц, продуктов коррозии и др. Как регенератор используется специальным образом оборудована поверхность крыши.
Устройство над поверхностью регенератора прозрачного экрана хотя и удорожает его, но предохраняет раствор от загрязнения, исключает отнесение раствора и позволяет нагреть его до более высокой температуры (не ухудшая условия регенерации). В этой установке кровля дома, орошаемая раствором, накрытая однослойным остеклением, образующей с кровлей щелевой канал для прохода воздуха. На входе в канал воздух очищается в фильтрах и, двигаясь против движения пленки, увлажняется поглощая воду, которая испаряется из раствора.
После регенерации раствор, имеет температуру около 338 К охлаждается в теплообменнике водопроводной водой используемой затем для горячего водоснабжения. Предварительно эта вод; нагревается в специально выделенной секции охладителя абсорбера. ^ Этом случае сокращается расход охлаждающей воды и соответственно потерь "теплоты в окружающую среду. Кровля имеет довольно значительный уклон, таи что движение воздуха осуществляется за счет разницы удельных весов нагревающего и наружного воздуха.
В открытом регенераторе в абсорбент попадает и некоторое количество воздуха, что негативно сказывается на процессе абсорбции и вызывает усиление коррозии аппаратов, поэтому холодный крепкий раствор после теплообменника поступает в деаэратор, из которого газы, не сконденсировались, постоянно удаляются небольшим насосом. Деаэратор соединяется с абсорбером. После деаэрации крепкий раствор смешивается со слабым и направляется на орошение теплообменных труб абсорбера.
Покрытие регенератора выполняется с гидрофильных материалов, обеспечивает образование тонкой сплошной пленки стекающего абсорбента. Даже на материалах, смачиваются хорошо, минимальная площадь орошения составляет 80 ... 100 кг / п. м, что вызывает необходимость рециркуляции раствора в регенераторе, которая осуществляется специальным насосом.
Во время дождя установка не работает, раствор поступает в абсорбер. Первые порции дождевой воды, содержащие много хлористого лития, собираются в баке емкостью 4 м остальная вода направляется в канализацию.
Используется аккумулятор тепла или холода большой емкости, рассчитанной примерно на 2 часа.
Другой класс абсорбционных кондиционеров использует комбинацию теплообменников, испарительных холодильников и осушителей. Эти системы берут воздуха или снаружи, или из помещения, осушают и затем охлаждают при испарении. Теплообменники используются в качестве устройств для сохранения энергии.
Основная идея осушительных-охлаждающих циклов может быть проиллюстрирована на примере "системы контроля окружающей среды" (рис. 2.13 а). Наиболее удобным способом визуализации процессов, происходящих в системе, является изображение в Психрометрический диаграмме изменения состояния воздуха, прошедшего через систему.
Рис. 2. 13. а - схема солнечной системы; б - солнечная система в Психрометрический диаграмме для идеальных условий; / - Вентилятор; // - Роторный теплообменник; /// - Роторный теплообменник; IV- роторный теплообменник; V- увлажнитель
Система в описываемом случае использует 100% наружного воздуха. Модификация этой системы, так называемый рециркуляционный вариант, пропускает на рециркуляцию через систему кондиционные выходящего воздуха из помещения.
В Психрометрический диаграмме обработки воздуха (рис. 2.13 6) наружный воздух, что параметры точки /, проходит через роторный теплообменник, после чего имеет более высокую температуру и более низкую влажность - точка 2. Охлаждение воздуха, прошедшего роторный теплообменник, осуществляется в соответствии с точки 3. Затем оно входит в испарительный теплообменник (холодильник) и охлаждается до состояния 4. Воздух входит в дом, тепловая нагрузка которого определяется разницей состояний точки 4 и точки 5. Воздух, покидает дом в состоянии и входит в испарительный холодильник и охлаждается к состоянию 6. При идеальных условиях температура в состоянии бы будет такой же, как и в состоянии и. Воздух входит в роторный теплообменник и нагревается до состояния 7, что при идеальных условиях будет соответствовать температуре состояния 2.
Дополнительно в этом случае солнечная энергия используется для нагрева воздуха от состояния 7 до состояния точки 8. Воздух с параметрами точки 8 входит в роторный теплообменник и охлаждается до состояния точки 9, при этом содержание влаги увеличивается.
Это диаграмма идеального процесса, в котором в испарительных холодильниках процесс идет по линии насыщения и эффективность тепло- и массообмена одинакова. Процесс тепло- массообмена в роторном теплообменнике достаточно сложный. В отечественной практике кондиционирования метод осушки воздуха с помощью солеводяних растворов хлористого лития и хлористого кальция включает такие процессы. Воздух обрабатывается в камере с насадкой концентрированными растворами указанных солей. В результате поглощения водяных паров оно осушается, а раствор становится менее концентрированным слабым. Для повторного применения слабый раствор необходимо восстанавливать до заданной концентрации путем выпаривания - регенерации раствора. Для этих целей используются кипятильники, после чего раствор должен быть охлажден.
Схема осушительно-увлажняющей установки представлена на рис. 2.14. Она состоит из камеры с раствором / и водой 2 с вентилятором 8, теплообменника С, градирни 4 с вентилятором 10 емкости для раствора 5 и воды 6, солнечного регенератора 7, теплообменника 8 с резервуаром для воды 15 насосов для раствора 11 и для воды 12.
Рис. 2.14. 1,2 камеры соответствии с раствором и водой; 3,8 - теплообменники; 4 - градирня и 5, б - емкости для раствора и воды; 7 - солнечный регенератор; 9,10 - вентиляторы; //, 12 - насосы; 13, 14, 16,17- вентиляторы; 15 - емкость для сбора горячей воды 18 - застекленная часть регенератора
Установка работает следующим образом. Обрабатываемую приточный воздух, проходя последовательно камеры 1-2, поступает в охлаждаемое помещение. В камере / за счет передачи раствора воздуха явной и скрытой теплоты температура его снижается и при адиабатическом увлажнении в камере 2 его температура снижается до 288 ... 293 К при относительной влажности 85 - 90%. Смешиваясь с внутренним воздухом, приточный воздух приобретает среднюю для помещения температуру 297 ... 298 К, при этом его относительная влажность снижается до 50 - 60%. За счет тепла, полученного от воздуха, температура раствора в камере / увеличивается до 303 ... 308 К, а его концентрация снижается и раствор поступает в емкость 5, откуда с помощью насоса прогоняется через теплообменник 3 и снова в камеру /. Другая небольшая часть тем же насосом подается в солнечный регенератор 7. До поступления в камеру / раствор в теплообменнике С охлаждается водой, которая в свою очередь передает полученное от раствора тепло окружающему пространству с помощью обработки ее в градирне 4. Часть раствора после регенерации и нагрева поступает в емкость 5 с раствором повышенной концентрации.
Нагретая в резервуаре 15 вода может использоваться для бытовых нужд. Объединение устройств различного назначения в одной установке повышает ее энергетическую эффективность.
Какие эмоции у вас вызывают понятия, солнце и кондиционер?
Какую вы видите взаимосвязь между солнцем и холодильной машиной?
Что вы слышали о работе кондиционера без электрической энергии?
Задать вам эти вопросы подтолкнула информация, которую я нашел на моей страничке в facebook под названием: «Как солнце создает прохладу?». Просмотренные материалы мне очень понравились, потому что приведенная схема кондиционирования – это новый этап в использовании солнечной энергии. Чтобы разобраться и объяснить вам все на понятном простом языке, я обратился за консультацией к своим коллегам, в компанию «Планета климата».
Теперь обо всем по порядку.
Солнечные тепловые кондиционеры.
В этой новинке, приведенной функциональной схеме отражен гибридный солнечный воздушный кондиционер, где энергия солнца используется для работы системы кондиционирования. Солнечная тепловая энергия, объединенная с эффективным компрессором, позволяет значительно экономить энергию из электросети. Компрессор традиционно использует электроэнергию для создания необходимого давления и нагревания хладагента до температуры свыше 180 °C.
Не стану описывать известный цикл работы холодильной машины. Обращу лишь ваше внимание, что в качестве дополнительного нагрева хладагента, от компрессора к конденсатору, последовательно подключен солнечный коллектор. В вакуумных трубках коллектора солнечное тепло нагревает газ-хладагент до температуры, приблизительно 270 °C, и это способствует значительному снижению затрат энергии компрессором.
По данным производителя, такой тепловой воздушный кондиционер способен дать сезонный коэффициент эффективности (SEER), порядка 16. Но я пока воздержусь от признания этого показателя и более детально расскажу почему, немного ниже. Добавлю только, что эффект данного агрегата состоит в том, чем ярче светит солнце, чем выше становится температура, тем данная система работает более эффективно.
Это и удивительно. Ведь мы привыкли думать, и во всех инструкциях по эксплуатации кондиционеров написано, что с повышением температуры наружного воздуха, эффективность кондиционирования воздуха снижается.
Приведенная схема, действительно позволяет использовать тепло, чтобы вырабатывать холод. Вопрос в другом. Стоит ли городить такую схему охлаждения воздуха для дома или квартиры? По всей вероятности она предназначена для больших объемных помещений.
И еще один вопрос возник по ходу выяснения подробностей солнечного теплового кондиционера. Какие кондиционеры или холодильные машины (абсорбционные, компрессорные) могут работать в таких схемах? Более подробную информацию о современных компрессорных сплит- системах кондиционирования воздуха, читайте здесь.
Абсорбционные холодильные машины.
Если информацию о солнечном тепловом кондиционере можно считать новизной, то, об абсорбционных холодильных машинах известно давно, и специалисты считают, что именно они должны применяться при проектировании зданий общественного значения с кондиционированием воздуха. Они бесшумны в работе и не создают вибраций.
Главное, только они способны добывать холод из теплых солнечных лучей. Оказывается, что в таком агрегате объединены два антагонистических понятия – тепло и холод, солнце и кондиционер.
Чтобы удостовериться в том, что действительно можно холод получить из тепла, давайте, не вникая особо в физику процессов холодильной машины, попытаемся разобраться в сути вопроса. Вначале интересный факт. Почти в 70% японских зданий, кондиционеры работают, используя холод, полученный из тепла в абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машинах (АБХМ).
Не в обиду читателю, но дальнейший свой рассказ я поведу от чайника. Да, да, чайник служит для кипячения воды, и об этом знает каждый. Температура кипения воды равна 100 °C , и если подвести к чайнику теплоноситель, превышающий температуру кипения, вода в чайнике будет кипеть, а теплоноситель охлаждаться. Температура кипения воды такова при нормальном атмосферном давлении в 1 бар (на поверхности земли).
Из физики мы знаем, что вода обладает определенными свойствами, когда она может кипеть при низкой температуре, при сниженном давлении в объеме, где она находится. Если давление понизить до 0,007 бар (почти вакуум), то вода начнет кипеть уже при температуре всего 4 °C.
При таких условиях, достаточно подвести к чайнику теплоноситель с температурой, например, 10 °C, и с помощью этого теплоносителя вода в чайнике закипела бы, как от пламени газовой горелки, а теплоноситель бы этот охладился, например, до температуры 7 °C, подобно тому, как охлаждаются под кипящим чайником продукты сгорания газа. Теплоноситель, охлажденный от 10 до 7 °C, называют хладоносителем, и его можно с успехом использовать, например, в системах кондиционирования.
В испарителе же АБХМ происходят именно такие процессы. В качестве холодильного агента в этой машине используются не фреоны, а как в чайнике - обыкновенная вода, которая кипит в испарителе, давление внутри которого близко к абсолютному вакууму.
Схема АБХМ (А — абсорбер, И — испаритель, Г — генератор, К — конденсатор (1 — вакуум-насос, 2 — водяной насос холодильного агента, 3 — насос абсорбента, 4 — теплообменник), Х — потребитель холода, Т — источник тепла, Гр — градирня.
Понятно, что холодильная машина сложнее чайника, но любое сложное состоит из простых элементов. Так и в нашем случае, из приведенной схемы видно, как в испарителе образовывается пар при кипении воды. Чем больше пара, тем меньше кипения (повышается давление), поэтому пар необходимо отводить. В обычных компрессорных холодильных машинах пары хладагента отводятся компрессором.
В АБХМ применяется раствор бромистого лития в воде. Особенностью этого раствора является его способность жадно поглощать (по-научному - «абсорбировать») водяной пар. Если в одном объеме с испарителем распылять концентрированный раствор бромистого лития, называемый абсорбентом, то вакуум в этом объеме сохранится, поскольку пар перейдет в раствор.
Чтобы абсорбент не потерял свою способность поглощать, тепло передается оборотной воде, циркулирующей через змеевик абсорбера, и отводится в атмосферу через градирню. Кроме того, чтобы поддержать абсорбционную способность раствора на постоянно высоком уровне, нужно из него выпарить лишний пар и это делается в генераторе при помощи тепловой энергии стороннего источника.
Вот здесь мы и подошли к ответу на вопрос, как в абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машине при помощи тепла производится холод. В качестве стороннего источника тепловой энергии 83 – 88 °C может применяться любой источник энергии и как мы говорили в начале статьи – тепло солнечной энергии. То есть, холод мы можем производить без электрической энергии только в АБХМ.
Другой областью эффективного применения АБХМ являются здания с когенерационными установками, вырабатывающими электрическую и тепловую энергию. Если в таких зданиях применять для кондиционирования компрессорные холодильные машины, то в летнее время тепловую энергию придется сбрасывать в окружающую среду, и когенерация в этом случае не будет эффективной. В то же время, комплект оборудования «когенерационная установка + АБХМ», называемый тригенерацией, обеспечит высокий уровень использования энергии топлива.
Следует заметить, что, несмотря на ряд положительных свойств, необходимо иметь в виду, что холодильный коэффициент АБХМ в обычном исполнении равен 0,7, это значит, что с 1 кВт потребляемой тепловой энергии можно получить только 0,7 кВт холода, и при этом, 1,7 кВт будет передано в окружающую среду.
Холодильный коэффициент компрессорных холодильных машин в пять раз выше. Правда, компрессорные машины потребляют не тепловую, а электрическую энергию.
Итак, ответим еще раз на вопросы, поставленные в начале статьи.
1. Несмотря на то, что мы привыкли думать, что тепло и холод не могут работать в одной упряжке, прочитав вышеприведенную информацию, способны изменить свою точку зрения в пользу использования солнечной радиации, как альтернативного источника энергии для создания холода. Солнце и кондиционер, могут взаимодействовать.
2. Ярким примером использования солнечной энергии для получения холода являются бромисто-литиевые холодильные машины. Только они способны добывать холод из жарких солнечных лучей.
3. Абсорбционные холодильные машины заслуживают того, чтобы более широко применять их при проектировании зданий общественного назначения с кондиционированием воздуха. Кроме того, что они практически не потребляют электрическую энергию. Они безопасны, потому что работают при давлении ниже атмосферного, они не создают угроз для озонового слоя атмосферы, потому что вместо фреона у них обыкновенная вода.
Существует несколько видов кондиционеров, тем или иным образом использующих солнечную энергию, чтобы снизить или полностью отказаться от потребления электроэнергии из сети. О принципе работы таких устройств, получивших название «солнечные кондиционеры», и пойдет речь в этой статье.
Несмотря на некоторую абсурдность понятия «солнечный кондиционер» (традиционно солнце ассоциируется с теплом, а кондиционер - с холодом), оно вполне объяснимо, ведь именно в солнечный день потребность в кондиционировании наиболее велика. Таким образом, привязать работу кондиционера к солнцу было бы весьма логично: есть солнце - нужно охлаждение, нет - нет и потребности в холоде.
Принципиально солнечные кондиционеры можно разделить на две группы.
Представители первой, активные солнечные кондиционеры, используют солнечную энергию напрямую - как тепловую. В свою очередь, пассивные солнечные кондиционеры используют энергию Cолнца, преобразованную, как правило, в электричество.
Солнечные кондиционеры с влагопоглотителями
Обычно около 30 % полезной холодильной мощности кондиционера (а в некоторых случаях до 50 %) тратится впустую - на образование конденсата, который затем просто сливается в канализацию.
Избежать появления конденсата, которое происходит из-за того, что температура испарителя ниже точки росы поступающего из помещения воздуха, можно, либо повысив температуру испарителя, либо понизив точку росы. Первый способ приводит к менее эффективному охлаждению воздуха, а потому требует увеличения его расхода. К тому же лишнюю влагу из воздуха все равно нужно удалять.
Второй способ - понижение точки росы воздуха в помещении - можно реализовать несколькими путями, и один из них - предварительно осушить подаваемый в кондиционер воздух.
Солнечные кондиционеры с влагопоглотителями (десикантами) относятся к активным солнечным кондиционерам и имеют повышенную энергоэффективность за счет невыпадения конденсата. Влага удаляется из потока воздуха влагопоглотителями перед испарителем. Таким образом, в испаритель попадает осушенная воздушная масса с точкой росы ниже температуры испарителя, чем и обеспечивается гарантия невыпадения конденсата.
Влагопоглотитель (это может быть, например, силикагель) вращается на диске. Поглотив влагу из внутреннего воздуха, десикант диском выносится на открытое для лучей солнца пространство, где выпаривается впитанная влага. Тем самым влагопоглотитель регенерируется, и диск возвращает его к контакту с внутренним воздухом.
Дополнительно отметим, что при описанной выше схеме в солнечные дни режим осушения воздуха не требует включения парокомпрессионного холодильного цикла кондиционера, что ведет к существенному энергосбережению: электроэнергия затрачивается только на вращение диска с влагопоглотителем.
Абсорбционные солнечные кондиционеры
Другим примером активных солнечных холодильных машин являются абсорбционные чиллеры, использующие солнечное тепло. Как известно, в абсорбционных машинах рабочим веществом является раствор из двух, иногда трех компонентов. Наиболее распространены бинарные растворы из поглотителя (абсорбента) и хладагента, отвечающие двум главным требованиям: высокая растворимость хладагента в абсорбенте и значительно более высокая температура кипения абсорбента по сравнению с хладагентом.
Для получения холода в абсорбционных холодильных машинах требуется тепловая энергия (как правило, используется бросовое тепло предприятий), которая подводится к генератору, где из рабочего вещества выкипает практически чистый хладагент, ведь его температура кипения гораздо ниже, чем у абсорбента.
Несмотря на то что абсорбционные чиллеры - весьма перспективная область развития холодильной техники, их применение ограничивается, как правило, промышленными объектами, так как только там есть достаточное количество бросового тепла.
В то же время в абсорбционных солнечных кондиционерах тепловую энергию, подводимую к генератору, получают от Cолнца. Это позволяет расширить область применения абсорбционных машин и использовать их не только в промышленном секторе. Учитывая, что тепловая энергия, получаемая от Cолнца, бесплатна, экономичность подобных решений в эксплуатации очевидна.
Фотоэлектрический солнечный кондиционер
В принцип работы фотоэлектрических солнечных кондиционеров заложено, пожалуй, наиболее очевидное использование солнечной энергии: питание кондиционера от солнечной батареи.
Действительно, о солнечных электростанциях, использующих возобновляемый источник энергии - энергию Cолнца, известно достаточно давно, и сказано о них очень многое. Ряд проектов уже воплощен в жизнь и успешно эксплуатируется в различных странах.
В более скромных масштабах солнечные батареи используются для энергоснабжения небольших объектов, например, коттеджей: от установленных, как правило, на кровле фотоэлектрических панелей получают электричество, расходуемое на бытовые нужды.
Еще реже от солнечных батарей предлагается запитывать различное оборудование. Если учесть, что в отличие от другой бытовой техники кондиционеры используются именно в солнечные дни, то было бы логично подключить к солнечной батарее именно кондиционе
р.
Подобные решения уже предлагаются многими зарубежными производителями оборудования для кондиционирования воздуха, например, Sanyo, Mitsubishi, LG. Однако очевидно, что кондиционер, будучи энергоемким оборудованием, потребует размещения достаточно большого количества фотоэлектрических панелей. Поэтому разные производители используют солнечные батареи по-разному: для запитывания только вентиляторов, для частичного электроснабжения кондиционера или для его полного обеспечения электроэнергией.
В любом случае к кондиционеру подводится силовой кабель от электросети, однако приоритет по источнику энергии отдается солнечным батареям. Например, для питания солнечных кондиционеров компаний GREE и MIDEA используется постоянный ток. В обычном режиме ток поступает от фотоэлектрических панелей, а при отсутствии солнца - через выпрямитель из электросети здания.
Однако отметим, что КПД современных фотоэлектрических панелей не превышает 25 %, что нельзя назвать эффективным преобразованием энергии. Даже несмотря на разработку комбинированных батарей на основе кристаллического кремния, КПД которых достигает 43 %, по-прежнему более половины энергии теряется в процессе ее конвертации. Именно поэтому считается, что фотоэлектрические солнечные кондиционеры уступают в эффективности, например, абсорбционным.
Экологичность как двигатель солнечного кондиционирования
Сегодня большое внимание уделяется экологичности тех или иных решений. Особо остро экологический вопрос стоит в области кондиционирования.
Пока солнечные климатические системы еще мало распространены. Однако направленность мировых усилий на снижение выбросов углекислого газа в атмосферу и рост цен на традиционные энергоносители могут стать хорошим стимулом для развития солнечной климатической техники.
Очевидно, что энергопотребление системы кондиционирования при параллельном использовании солнечной энергии снизится. Кроме того, использование тепловой энергии Cолнца может расширить область применения абсорбционных холодильных машин, работающих на безопасных рабочих жидкостях - воде или соляных растворах.