V rámci technológie solárnej tepelnej klimatizácie predstavujú absorpčné chladenie a adsorpčné chladenie dve paralelné hlavné vývojové cesty. Oba využívajú ako hnací zdroj tepelnú energiu generovanú solárnymi kolektormi, no zásadne sa líšia v mechanike termodynamického cyklu, výbere pracovnej tekutiny, architektúre systému a prevádzkových charakteristikách. Pochopenie týchto rozdielov je základným predpokladom pre výber a návrh inžinierskeho systému.
1. Základný rozdiel v princípoch práce
Solárne absorpčné chladenie sa spolieha na fyzikálno-chemický rozpúšťací vzťah medzi kvapalinovým absorbentom a chladivom, ktoré riadi cyklus. Chladivo sa rozpúšťa v absorbente za vzniku roztoku, ktorý sa potom ohrieva v generátore slnečnou tepelnou energiou. Chladivo sa vyparí a oddelí, potom podstúpi kondenzáciu, expanziu a vyparovanie, aby sa ochladilo. Nízkotlaková para chladiva je následne znovu absorbovaná absorbentom, čím sa dokončí celý cyklus. Celý proces prebieha nepretržite medzi kvapalnou a parnou fázou – to je a kontinuálny cyklus v ustálenom stave .
Solárne adsorpčné chladenie využíva fyzikálnu adsorpciu a tepelnú desorpciu pevného adsorbentu na riadenie cyklu. Adsorbent zachytáva pary chladiva pri nízkych teplotách a vytvára chladiaci efekt. Solárna tepelná energia potom ohrieva adsorbent, čo spôsobuje desorpciu – pary chladiva sa uvoľňujú, vstupujú do kondenzátora a skvapalňujú sa na regeneráciu. Pretože pevné adsorbenty nemôžu prúdiť nepretržite ako kvapaliny, adsorpcia a desorpcia sa striedajú v rovnakom adsorpčnom lôžku. Toto je prerušovaný kvázistatický cyklus .
Tento základný rozdiel vedie k rozdielom medzi týmito dvoma typmi systémov z hľadiska prevádzkovej kontinuity, štruktúry zariadenia a metodológie riadenia.
2. Porovnanie termodynamického cyklu
Štvorstupňový cyklus chladenia so solárnou absorpciou
Štandardný termodynamický cyklus solárneho absorpčného chladiaceho systému pozostáva zo štyroch základných procesov:
Generácia: Zriedený roztok v generátore je ohrievaný solárnou horúcou vodou – typicky okolo 80 °C až 100 °C v prípade jednočinných systémov. Chladivo sa odparí a koncentrácia roztoku stúpa, čím sa vytvorí koncentrovaný roztok.
Kondenzácia: Výpary vysokotlakového chladiva s vysokou teplotou vstupujú do kondenzátora, uvoľňujú teplo chladiacej vode alebo vzduchu a skvapalňujú sa na vysokotlakové kvapalné chladivo.
Odparovanie: Kvapalné chladivo prechádza expanzným ventilom, klesá tlak a vstupuje do výparníka. V podmienkach nízkeho tlaku a nízkej teploty absorbuje teplo a odparuje sa – toto je základná fáza, v ktorej systém vytvára svoj chladiaci účinok.
Absorpcia: Nízkotlakové pary chladiva vstupujú do absorbéra, kde sú absorbované koncentrovaným roztokom a súčasne odovzdávajú teplo chladiacemu médiu. Roztok sa znovu zriedi, natlakuje čerpadlom roztoku a vráti sa do generátora, aby sa dokončil cyklus.
V systémoch bromid lítny-voda slúži voda ako chladivo a bromid lítny ako absorbent. Cyklus funguje v podmienkach podtlaku, s minimálnou teplotou chladenia nad 0 °C, vďaka čomu je veľmi vhodný pre prevádzku klimatizácie. Systémy čpavok-voda používajú čpavok ako chladivo a môžu dosahovať teploty chladenia pod nulou, čím ponúkajú širší rozsah použitia – aj keď za cenu vyšších prevádzkových tlakov systému a prísnejších požiadaviek na tesnenie.
Dvojlôžkový striedavý cyklus solárneho adsorpčného chladenia
Štandardný adsorpčný chladiaci systém využíva dve adsorpčné lôžka pracujúce striedavo, aby poskytovali takmer nepretržitý chladiaci výkon:
Adsorpčná fáza chladenia: Jedno adsorpčné lôžko sa udržiava pri nízkej teplote. Pevný adsorbent – typicky silikagél – nepretržite adsorbuje pary chladiva z výparníka. Chladivo sa odparuje pri nízkom tlaku a nízkej teplote vo výparníku, absorbuje teplo a ochladzuje.
Fáza zahrievania a desorpcie: Solárna horúca voda ohrieva nasýtené adsorpčné lôžko. Keď teplota adsorbentu stúpa, veľké množstvo pár chladiva sa desorbuje a uvoľňuje do kondenzátora, kde sa skvapalňuje. Kvapalné chladivo sa potom roztiahne a vráti sa do výparníka, čím sa systém pripraví na ďalší adsorpčný cyklus.
Proces rekuperácie tepla: Vysokovýkonné adsorpčné systémy obsahujú tepelný regenerátor, ktorý vymieňa tepelnú energiu medzi vysokoteplotným lôžkom, ktoré prechádza desorpciou, a nízkoteplotným lôžkom v adsorpčnej fáze. To znižuje celkové požiadavky na prívod tepla a zlepšuje COP. Návrh rekuperácie tepla je jednou z kľúčových stratégií optimalizácie účinnosti v adsorpčných chladiacich systémoch.
Interval prepínania medzi dvoma striedajúcimi sa lôžkami je zvyčajne niekoľko minút až niekoľko desiatok minút. Chladiaci výkon vykazuje určitý stupeň kolísania počas spínania – charakteristická prevádzková charakteristika, ktorá odlišuje adsorpčné systémy od kontinuálneho cyklu absorpčných systémov.
3. Teplota jazdy a prispôsobenie solárneho kolektora
Teplota zdroja tepla je jedným z najdôležitejších parametrov pri výbere solárneho tepelného klimatizačného systému.
Solárne absorpčné chladenie vyžaduje relatívne vyššiu jazdnú teplotu. Minimálna hnacia teplota pre jednočinný chladič bromidu lítneho je približne 75 °C až 80 °C, zatiaľ čo jednotky s dvojitým účinkom vyžadujú 150 °C alebo viac. Stabilná prevádzka si zvyčajne vyžaduje evakuované trubicové kolektory alebo koncentračné kolektory, ako sú zložené parabolické koncentrátory (CPC). Vyššie hnacie teploty zvyšujú tlak vyparovania v generátore a zlepšujú účinnosť cyklu. Systémy s dvojitým efektom dosahujú COP 1,0 až 1,2, čo je zmysluplne vyššie ako systémy s jedným efektom pri 0,6 až 0,8.
Solárne adsorpčné chladenie funguje v nižšom rozsahu jazdných teplôt. Pracovná dvojica silikagél-voda funguje efektívne pri 60 °C až 85 °C, pričom priamo zodpovedá rozsahu prevádzkových teplôt plochých solárnych kolektorov – nie je potrebné žiadne vysokoteplotné zberné zariadenie. Táto charakteristika dáva adsorpčným systémom silnejšiu adaptabilitu v oblastiach so stredným ožiarením alebo počas zimnej prevádzky. Pracovná dvojica zeolit-voda vyžaduje mierne vyššiu hnaciu teplotu 100 °C až 200 °C, ale dosahuje úplnejšiu desorpciu, vďaka čomu je vhodná pre aplikácie s vyššou kvalitou zdroja tepla. Pracovná dvojica aktívne uhlie-metanol môže byť poháňaná pri teplotách od 50 °C do 80 °C, hoci toxicita a horľavosť metanolu kladie náročnejšie požiadavky na tesnenie a bezpečnosť.
4. Systém COP a energetická účinnosť
Pri ekvivalentných podmienkach solárneho zberu vykazujú tieto dva typy systémov merateľné rozdiely v energetickej výkonnosti.
Jednočinné absorpčné chladiče bromidu lítneho zvyčajne dosahujú tepelné COP 0,6 až 0,8, zatiaľ čo jednotky s dvojitým účinkom môžu presiahnuť 1,0. Systémy s dvojitým efektom však vyžadujú podstatne väčšie kolektorové polia a vyššie investície do pomocných zariadení. Celkový solárny COP – počítajúci s účinnosťou kolektora – spadá do rozsahu 0,3 až 0,5.
Adsorpčné systémy na báze silikagélu a vody zvyčajne poskytujú tepelné COP 0,4 až 0,6, čo je nižšie ako absorpčné systémy. Pretože sú kompatibilné s nízkoteplotnými plochými kolektormi, účinnosť kolektorov je relatívne vysoká a celkové využitie solárnej energie je porovnateľné s jednočinnými absorpčnými systémami. Zavedenie pokročilých adsorpčných materiálov – vrátane zeolitu AQSOA a materiálov s kovovo-organickou štruktúrou (MOF) – postupne uzatvára medzeru v COP. Niektoré laboratórne výsledky s týmito materiálmi už prekročili 0,8.
5. Štruktúra systému a charakteristiky údržby
Solárne absorpčné chladiace systémy obsahujú viacero komponentov vrátane čerpadla roztoku, generátora, absorbéra, kondenzátora, výparníka a výmenníka tepla. Architektúra systému je pomerne zložitá, s prísnymi požiadavkami na čistotu pracovnej tekutiny a tesnosť systému. Roztok bromidu lítneho so sebou nesie riziko kryštalizácie a korózie pri vysokých teplotách alebo pri kontakte so vzduchom, čo si vyžaduje pravidelné monitorovanie koncentrácie a dopĺňanie inhibítora korózie. Údržba si vyžaduje kvalifikovaný technický personál.
Solárne adsorpčné chladiace systémy sú postavené na pevných adsorpčných lôžkach ako ich základných komponentoch. Neexistuje žiadny okruh čerpania pracovnej kvapaliny a systém neobsahuje žiadne pohyblivé časti okrem chladiacich ventilátorov. Výsledkom je konštrukčne jednoduchý, mechanicky spoľahlivý systém s nízkou poruchovosťou a minimálnou údržbou. Kompromisom je, že objem adsorpčného lôžka je relatívne veľký – hmotnosť systému a pôdorys sú zvyčajne väčšie ako absorpčné jednotky s ekvivalentnou chladiacou kapacitou. Priestorové obmedzenia sa musia starostlivo posúdiť vo fáze plánovania projektu.
6. Aplikačné scenáre a technické prípady použitia
Solárne absorpčné chladiče lítiumbromidu majú osvedčené výsledky vo veľkých komerčných budovách, hoteloch, nemocniciach a priemyselných zariadeniach. Komerčne dostupné produkty zahŕňajú chladiace kapacity od desiatok kilowattov po niekoľko megawattov. V kombinácii s centralizovanými solárnymi kolektorovými poľami môžu tieto systémy poskytovať chladenie v mestskom rozsahu av súčasnosti predstavujú dominantnú technológiu v projektoch solárneho diaľkového chladenia.
Solárne adsorpčné klimatizácie sú vhodnejšie pre malé a stredné budovy, aplikácie distribuovaného chladenia a prípady použitia, ktoré uprednostňujú spoľahlivosť systému a nízku údržbu – ako sú základňové stanice telekomunikácií a zdravotnícke zariadenia v lokalitách mimo siete. Keďže výkonnosť adsorpčného materiálu neustále napreduje a systémové náklady klesajú, konkurencieschopnosť solárnej adsorpčnej klimatizácie v obytných a malých komerčných aplikáciách neustále rastie.
Technológie solárnej absorpcie a solárneho adsorpčného chladenia zaujímajú odlišné a komplementárne pozície na širšom trhu solárnych klimatizácií. Výber medzi týmito dvoma je v konečnom dôsledku určený dostupnou kvalitou solárnych zdrojov, mierou zaťaženia budovy, priestorovými podmienkami a celkovou štruktúrou nákladov životného cyklu každého konkrétneho projektu.
