W ostatnich latach rozwijane są techniki wykorzystujące energię słoneczną do wspomagania procesów chłodzenia w budynkach. Wiele prac badawczych i rozwojowych dotyczy absorpcyjnych układów chłodniczych, które w całości lub częściowo zasilane są energią cieplną pobieraną w kolektorach słonecznych [1–3]. W większości są to jeszcze instalacje pilotażowe i doświadczalne, zwłaszcza jeśli chodzi o urządzenia o małej mocy chłodniczej.
Dzięki zastosowaniu absorpcyjnych urządzeń chłodniczych możliwe jest obniżenie zapotrzebowania na energię elektryczną potrzebną do napędu tradycyjnych (sprężarkowych) urządzeń chłodniczych. Ma to szczególne znaczenie w okresie letnim, gdy występują szczytowe wartości zapotrzebowania na energię elektryczną [4].
Przeczytaj także: Wpływ klimatu polskiego na pracę i projektowanie słonecznego systemu klimatyzacyjnego SDEC >>
W sprężarkowych systemach chłodniczych wykorzystywane są jako czynniki robocze freony (CFC, HCFC), które niszczą warstwę ozonową. Tej niekorzystnej cechy nie wykazują czynniki robocze stosowane w absorpcyjnych układach chłodniczych. Nadal jednak na rynku dominują urządzenia sprężarkowe, głównie ze względu na niższą cenę i dostępność rozwiązań w szerokim zakresie wydajności chłodniczej.
W artykule scharakteryzowano problemy związane z wykorzystaniem energii słonecznej w absorpcyjnych obiegach chłodniczych. Przedstawiono ponadto badania dotyczące klasycznego sprężarkowego urządzenia chłodniczego zasilanego energią wytwarzaną przez panele fotowoltaiczne.
Absorpcyjne urządzenia chłodnicze zasilane energią słoneczną
W absorpcyjnych systemach klimatyzacyjnych (SVAC – solar-vapor-absorption cooling) zasilanych energią słoneczną wykorzystuje się najczęściej chłodziarki jednostopniowe pracujące z mieszaniną LiBr-H2O.
Współczynniki wydajności chłodniczej (COP), a także udział energii cieplnej pochodzącej ze słońca zależą w przypadku tych systemów od warunków pogodowych. Maksymalne wartości COP mieszczą się w zakresie 0,6–0,7, przy temperaturze zasilania generatora ciepła 75–90oC [5, 6].
Przeczytaj także: Wykorzystanie kolektorów słonecznych w instalacjach klimatyzacyjnych >>
W urządzeniach dwustopniowych można uzyskać wyższe współczynniki COP (1,2–1,5), ale wymaga to podwyższenia temperatury nośnika zasilającego generator pary (120–160°C) [5, 6]. Tak wysokie temperatury wody zasilającej można uzyskać jedynie, stosując kolektory wyposażone w rury próżniowe, z parabolicznym lustrem i układem śledzenia słońca.
Schemat przykładowego układu absorpcyjnego zasilanego ciepłem z kolektorów słonecznych przedstawia rys. 1. Wiele testowanych układów ma charakter pilotażowy, powstają jednak również komercyjne układy absorpcyjne zasilane energią słoneczną (częściowo lub w całości).
Według obliczeń przedstawionych w publikacji [7] w krajach południowej Europy i śródziemnomorskich systemy klimatyzacyjne wspomagane energią słoneczną pozwalają zaoszczędzić nawet do 40–50% energii pierwotnej.
Współczynnik opisujący sprawność (wydajność chłodniczą) dla urządzenia absorpcyjnego zasilanego energią słoneczną (COPsolar) można wyznaczyć w oparciu o współczynnik wydajności chłodniczej COP urządzenia absorpcyjnego i sprawność kolektorów słonecznych (hkol), wg zależności [7]:
(1)
Sprawność kolektorów słonecznych maleje wraz ze wzrostem temperatury w generatorze. Jednocześnie współczynnik COP rośnie wraz ze wzrostem temperatury w generatorze, można zatem wyznaczyć pewną optymalną temperaturę pracy urządzenia, zapewniającą optymalne zyski od słońca i produkcję chłodu.
Na podstawie uproszczonej analizy (urządzenie chłodnicze pracuje w nominalnych warunkach, stałe natężenie promieniowania słonecznego, układ automatycznej regulacji stabilizuje działanie urządzenia dla zadanej temperatury zasilania) ustalono optymalną temperaturę pracy dla dwóch różnych typów kolektorów słonecznych [7].
Rozpatrywano jednostopniowe bromo-litowe urządzenie absorpcyjne współpracujące z chłodnią kominową. Dla płaskich, selektywnych kolektorów słonecznych optymalna temperatura pracy wynosiła ok. 70–75°C i była bliska minimalnej temperaturze działania urządzenia absorpcyjnego, które w tych warunkach nie pracowało z maksymalną efektywnością i uzyskany COPsolar » 0,44.
W przypadku kolektorów z rur próżniowych optymalna temperatura pracy była wyższa i wynosiła ok. 87°C, co pozwoliło uzyskać COPsolar » 0,52. Należy podkreślić, że jest to analiza uproszczona, optymalna temperatura pracy generatora zależy bowiem od wielu zmiennych, takich jak: temperatura zewnętrzna, wilgotność powietrza, natężenie promieniowania słonecznego, kąt padania promieniowania na powierzchnię kolektora.
Zatem współczynnik COPsolar też będzie zależał od wymienionych parametrów, które zmienne są przecież zarówno w cyklu dziennym, miesięcznym, jak i nawet rocznym.
