Wykorzystanie energii słonecznej do produkcji chłodu na potrzeby systemów klimatyzacyjnych

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].

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].

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 (COP_solar) można wyznaczyć w oparciu o współczynnik wydajności chłodniczej COP urządzenia absorpcyjnego i sprawność kolektorów słonecznych (h_kol), wg zależności [7]:

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 COP_solar » 0,44.

W przypadku kolektorów z rur próżniowych optymalna temperatura pracy była wyższa i wynosiła ok. 87°C, co pozwoliło uzyskać COP_solar » 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 COP_solar też będzie zależał od wymienionych parametrów, które zmienne są przecież zarówno w cyklu dziennym, miesięcznym, jak i nawet rocznym.

Na podstawie badań przedstawionych w publikacji [8] ustalono, że wymagana powierzchnia kolektorów słonecznych (A_s) przypadająca na 1 kW mocy chłodniczej zależy w dużym stopniu od usytuowania budynku względem stron świata, wielkości zysków ciepła wewnętrznych i zewnętrznych oraz liczby godzin użytkowania instalacji klimatyzacyjnej. Przykładowo dla warunków panujących w Hiszpanii A_s = 1,6–3,5 m²/kW_CH, dla Niemiec A_s = 4,6–6,2 m²/kW_CH. Większe wartości współczynnika A_s dotyczą instalacji pracujących dłużej w ciągu roku.

Współpraca sprężarkowego urządzenia chłodniczego z panelem fotowoltaicznym

W ramach badań siłowni słonecznej prowadzonych w Instytucie Elektrotechniki we Wrocławiu testowano działanie sytemu fotowoltaicznego. Zbadano m.in. współdziałanie paneli fotowoltaicznych ze sprężarkowym urządzeniem klimatyzacyjnym – zastosowano panele wykonane z monokrystalicznego krzemu o sprawności ok. 10%. 

Zbudowano i opomiarowano system fotowoltaiczny (typu off grid) złożony z ośmiu paneli o łącznej mocy 1120 W oraz specjalnego układu elektronicznego umożliwiającego nieprzerwane działanie odbiorników zasilanych stałym napięciem 12 lub 48 V bądź zmiennym 230 V. W badaniach wykorzystano komercyjny klimatyzator o nominalnej mocy chłodniczej 2100 W zasilany prądem zmiennym (230 V). Podstawowe parametry urządzenia podano w tabeli 1.

Moc elektryczną wytworzoną w systemie fotowoltaicznym obliczono na podstawie pomiarów napięcia i natężenia prądu generowanego w systemie PV:

gdzie:
I      – natężenie prądu elektrycznego [A],
U      – napięcie na fotoogniwach [V].

Przykładowe wyniki pomiarów działania systemu fotowoltaicznego przedstawiono na rys. 2. Badania prowadzono w okresie ma­rzec–październik 2011.

Na podstawie danych pomiarowych można zauważyć, że ilość produkowanej energii w fotoogniwach zależy od natężenia promieniowania słonecznego, natomiast nie zaobserwowano wpływu temperatury otoczenia na zmianę sprawności fotoogniw.

Moc chłodniczą wytwarzaną przez sprężarkowe urządzenie chłodnicze obliczono z zależności (3) na podstawie pomiarów parametrów powietrza przepływającego przez klimatyzator:

gdzie:
V·     – strumień objętości powietrza [m³/s],
c_p     – ciepło właściwe powietrza [kJ/kgK],
r – gęstość powietrza [kg/m³],
DT – różnica temperatur powietrza na wlocie i wylocie z urządzenia [K].

Ilość energii elektrycznej pobieranej przez urządzenie sprężarkowe obliczono z zależności (4), na podstawie chwilowych pomiarów napięcia i natężenia prądu zasilającego urządzanie (uwzględniono napęd silnika sprężarki oraz napęd wentylatora w klimatyzatorze):

gdzie:
I      – natężenie prądu elektrycznego [A],
U – wartość napięcia zasilającego [V].

Sprawność fotoogniw obliczono z zależności (5) na podstawie mocy elektrycznej generowanej w układzie PV oraz pomierzonego natężenia promieniowania słonecznego (pomiary chwilowe, uśredniane godzinowo):

Sprawność układu złożonego z urządzenia sprężarkowego zasilanego z fotoogniw obliczono z zależności (6), biorąc pod uwagę wytworzoną moc chłodniczą oraz występujące w tym samym czasie natężenie promieniowania słonecznego:

gdzie:
I_sr – natężenie promieniowania słonecznego [W/m²],
P_pv – moc elektryczna wytwarzana w fotoogniwach [W].

Efektywność wytwarzania chłodu w sprężarkowym urządzeniu chłodniczym obliczono z zależności (7), biorąc pod uwagę chwilowe wartości mocy chłodniczej i mocy elektrycznej na zasilaniu urządzenia:

gdzie:
Q_ch – moc chłodnicza wytwarzana w urządzeniu sprężarkowym [W],
P_ch – moc elektryczna pobierana przez urządzenie sprężarkowe [W].

Na rys. 3 i 4 przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów sprężarkowego układu chłodniczego zasilanego z fotoogniw. 

Sprawność konwersji energii dla fotoogniwa oscyluje wokół 10%. Efektywność wytwarzania chłodu przez urządzenie sprężarkowe wynosi średnio ok. 3,5. Jeżeli porównamy produkowaną energię chłodniczą z natężeniem promieniowania słonecznego, kiedy urządzenie sprężarkowe zasilane jest z fotoogniw, sprawność wytwarzania chłodu wynosi ok. 40%. 

Pobór energii elektrycznej i moc chłodnicza wytwarzana przez urządzenie sprężarkowe ulegały zmianom w ciągu dnia i były zależne od temperatury w badanym pomieszczeniu (zmieniały się zyski ciepła od słońca).

Podczas słonecznych dni zapotrzebowanie na energię elektryczną generowane przez urządzenie chłodnicze było na bieżąco pokrywane przez fotoogniwa (uwzględniając układ akumulacji energii oparty na akumulatorach żelowych o łącznej pojemności 800 Ah). Należy podkreślić, że takich dni w miesiącach letnich (czerwiec–sierpień) było łącznie kilkanaście, więc nie można liczyć na darmową energię każdego dnia, nawet latem. 

Poza tym zapotrzebowanie na energię elektryczną wiąże się bezpośrednio z zapotrzebowaniem na chłód, które niekoniecznie musi wynikać z warunków pogodowych, choć oczywiście w większości przypadków tak właśnie jest.

Należy pamiętać, że duże znaczenie w przypadku szacowania zapotrzebowania na chłód ma usytuowanie budynku, układ pomieszczeń, stopień przeszklenia, system osłon przeciwsłonecznych, izolacyjność przegród budowlanych i wreszcie sposób użytkowania pomieszczeń.

Wszystkie wymienione parametry powinny być uwzględnione przy analizie możliwości zastosowania jakiegokolwiek systemu chłodzenia, a w szczególności systemu opisanego w niniejszym artykule, który wymaga poniesienia dodatkowych kosztów związanych z instalacją układu PV, obejmującego: panele fotowoltaiczne, inwerter, akumulatory, system kontrolno-regulacyjny.

Dodatkowo przeprowadzono analizę dotyczącą pozyskiwania energii z paneli PV przeznaczonej do zasilania urządzeń elektrycznych o mocy 1000 W. Przeanalizowano nasłonecznienie dla Wrocławia od maja do czerwca i dobrano powierzchnię instalacji PV tak, by pokryć zapotrzebowanie na energię elektryczną (założono 1000 W) w godz. 8–16.

Dobrano 20 sztuk paneli o parametrach jednostkowych: powierzchnia 1,50×0,8 m i moc nominalna 140 W (moc podawana jest dla natężenia promieniowania słonecznego 1000 W/m²). Łączna powierzchnia paneli PV wyniosła więc ok. 25 m². Szacunkowy koszt paneli wynosi w tym przypadku ok. 12 tys. zł (przyjmując cenę jednostkową 1,04 euro/W).

Uwzględniając pracę instalacji tylko w miesiącach maj–czerwiec, oszacowano ilość wytworzonej energii na ok. 720 kWh (praca instalacji przez 8 h dziennie), co przy obecnej cenie energii (0,58 zł/kWh) daje ok. 417 zł i nie zapewnia satysfakcjonującego okresu zwrotu poniesionych nakładów (wynosi on ok. 28 lat). Uwzględniając całoroczną pracę instalacji PV, można uzyskać ok. 2600 kWh, co pozwala oszacować prosty czas zwrotu nakładów na ok. 8 lat.

Projekt ustawy o OZE z 4 października 2012 r. przewidywał m.in. system dopłat do produkcji energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych:

• dachowe instalacje fotowoltaiczne o mocy do 10 kW: 1,30 zł/kWh,
• dachowe instalacje fotowoltaiczne o mocy od 10 do 100 kW: 1,15 zł/kWh,
• gruntowe instalacje fotowoltaiczne o mocy od 10 do 100 kW: 1,10 zł/kWh.

Najkorzystniej zatem jest sprzedawać do sieci energetycznej cały wyprodukowany prąd, a następnie pobierać prąd sieciowy na własne potrzeby. Wtedy dla każdej kWh energii wytworzonej w instalacji PV można uzyskać bonus maks. 0,72 zł/kWh (przy obecnej cenie energii przez 15 lat, jak założono w projekcie ustawy). Zwiększa to atrakcyjność zastosowania paneli PV do zasilania np. instalacji klimatyzacyjnych, a oszacowany prosty czas zwrotu nakładów dla rozpatrywanej w tym przykładzie instalacji wyniesie wtedy ok. 4 lat.

Wnioski

Wielu autorów publikacji dotyczących praktycznego zastosowania solarnych układów absorpcyjnych w klimatyzacji wskazuje na problemy, które utrudniają projektowanie takich układów. Nie ma jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, czy jest to zawsze opłacalna inwestycja w porównaniu z tradycyjnymi układami chłodniczymi opartymi na urządzeniach sprężarkowych. Wiele zależy od lokalnych warunków i praktycznie w każdym przypadku konieczna jest ekonomiczna analiza projektu.

Do najczęściej podnoszonych problemów zaliczyć można:

• duży koszt jednostkowy urządzeń absorpcyjnych o małej mocy chłodniczej (brak komercyjnie dostępnych urządzeń dostosowanych do zasilania wodą o temperaturze poniżej 100°C),
• duży koszt instalacji słonecznej (zależnie od rodzaju kolektorów, sposobu wykorzystania instalacji solarnej, np. dodatkowo na potrzeby ogrzewania i ciepłej wody użytkowej),
• konieczność użytkowania standardowo montowanych chłodni kominowych (próbuje się je zastępować chłodzeniem powietrznym, chłodzeniem płaszczyznowym w ścianach i podłogach czy chłodzeniem poprzez grunt),
• ograniczone możliwości stosowania chłodziarek opartych na Libr/H₂O jako urządzeń pracujących w cyklu odwróconym (jako pompy ciepła) ze względu na niebezpieczeństwo zamarzania wody przy niskich temperaturach zewnętrznych,
• brak doświadczalnych charakterystyk pracy urządzeń absorpcyjnych działających przy częściowym obciążeniu (w przypadku zasilania energią słoneczną urządzenia te pracują często w niestabilnych warunkach przy zmieniających się temperaturach źródła ciepła lub wymagają zastosowania dodatkowego źródła ciepła i zasobników).

Pomiary przeprowadzone dla sprężarkowego urządzenia chłodniczego zasilanego w energię elektryczną wytwarzaną przez panele fotowoltaiczne wskazują na możliwość realizacji takiego rozwiązania przy sprzyjających warunkach pogodowych. 

Należy podkreślić, że zastosowanie tego rozwiązania wymaga szczegółowej analizy techniczno-ekonomicznej, a opłacalność inwestycji zależy od zapotrzebowania na energię elektryczną, ceny paneli PV oraz wprowadzenia systemu dopłat do energii produkowanej w instalacjach fotowoltaicznych.

Odnosząc ilość produkowanej energii chłodniczej do natężenia promieniowania słonecznego (kiedy urządzenie sprężarkowe zasilane jest z fotoogniw), wyznaczono sprawność wytwarzania chłodu na ok. 40% (przy sprawności fotoogniw ok. 10%).

Literatura

1. Fong K.F., Chow T.T., Lee C.K., Lin Z., Chan L.S., Comparative study of different solar cooling systems for buildings in subtropical city, „Solar Energy” No. 2 (84)/2010.
2. Gomri R., Investigation of the potential of application of single effect and multiple effect absorption cooling systems, „Energy Conversion Management” No. 8 (51)/2010.
3. Rodriguez Hidalgo M.C., Rodriguez Aumente P., Izquierdo Millan M., Lecuona Neumann A., Salgado Mangual R., Energy and carbon emission savings in Spanish housing air-conditioning using solar driven absorption system, „Applied Thermal Engineering” No. 14–15 (28)/2008.
4. Ortiz M., Barsun H., He H., Vorobieff P., Mammoli A., Modeling of a solar-assisted HVAC system with thermal storage, „Energy Building” No. 4 (42)/2010.
5. Zhai X.Q., Qu M., Li Y., Wang R.Z., A review for research and new design options of solar absorption cooling systems, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” No. 15/2011.
6.  Gomri R., Investigation of the potential of application of single effect and multiple effect absorption cooling systems, „Energy Conversion Management” No. 8 (51)/2010.
7. Garcia Casals X., Solar absorption cooling in Spain: Perspectives and outcomes from the simulation of recent installations, „Renewable Energy” No. 31/2006.
8. Eicker U., Pietruschka D., Design and performance of solar powered absorption cooling systems in office buildings, „Energy and Buildings” No. 41/2009.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!