Солнечное охлаждение: система кондиционирования воздуха от Солнца

Солнечное охлаждение: система кондиционирования воздуха от Солнца

Солнечное охлаждение технологически вполне допустимо, если использовать энергию Солнца в системе, построенной по схеме чиллера. Строительство такой системы предусматривает пассивное преобразование солнечной энергии в виде тепла (или фотоэлектрическое). Солнечная система кондиционирования воздуха обещает играть всё более значимую роль в будущих проектах зданий разного назначения с нулевым потреблением энергии.

Энергия солнца на службе социума

Свет и тепло, выделяемое солнечным диском, люди стремились использовать под собственные нужды с древних времён. Поэтому неудивительно, что за прошедшие годы появились масса технологий, которые стабильно совершенствуются. Солнечное излучение, наряду с вторичными источниками энергии:

  • ветра,
  • воды,
  • биомассы,

составляют значимую долю возобновляемой энергии. Между тем, социум использует крайне малую часть доступных природных ресурсов.

Производство электричества от солнечной энергии основано на тепловых двигателях и фотоэлектрических устройствах. Использование солнечной энергии ограничено лишь человеческой изобретательностью. Неполный список применений включает:

  • отопление и охлаждение помещений,
  • дистилляция и дезинфекция питьевой воды,
  • дневное освещение,
  • производство горячей воды,
  • варка и высокотемпературное технологическое тепло для промышленных целей.

Для сбора солнечной энергии наиболее распространенным способом является использование батарей (аккумуляторов). Солнечные технологии охлаждения разделяют на:

  1. Пассивные.
  2. Активные.

Конкретная характеристика зависит от методики сбора, преобразования, распределения энергии Солнца. Активные технологии включают использование фотоэлектрических панелей и тепловых коллекторов. Пассивные технологии предусматривают:

  • максимум ориентации объекта на Солнце;
  • подбор материалов, подходящих по свойствам рассеивания тепловой массы или света;
  •  проектирование пространств с естественной циркуляцией воздуха.
Мощная промышленная установка солнечного охлаждения
Мощная система солнечного охлаждения. Такие конструкции, как правило, используются для промышленных нужд – обслуживают целые фабрики и предприятия

Помимо всего прочего, существует идея использования солнечной энергии напрямую для производства охлаждённой воды. Высокая температура, необходимая для абсорбционных чиллеров, обеспечивается солнечными желобами. Система не требует «стратегических» материалов (как для фотоэлектрических устройств), обеспечивает пиковое производство в момент пикового спроса.

Солнечное охлаждение по абсорбционному принципу

Абсорбционный холодильник представляет конструкцию, где применяется источник тепла для обеспечения энергией, требующейся в дальнейшем для активации системы охлаждения. Абсорбционные холодильники — реальная альтернатива компрессорным охладителям, когда на первый план выходят:

  • дефицит электричества,
  • дороговизна системы,
  • шум компрессора,
  • выработка избыточного тепла.

Конструкции абсорбционных машин, аналогично компрессорным системам, работают на хладагенте с низкой температурой кипения (-18ºC). Применительно к тому или иному типу, когда хладагент испаряется, отводится некоторое количество тепла, чем обеспечивается охлаждающий эффект.

Различия между двумя типами машин

Отличительные черты машин заключается в технологии трансформации газовой фазы хладагента в жидкую фазу и обратно (холодильный цикл). Машина с компрессором наращивает давление газа за счёт электропривода, двигающего поршни компрессора.

Нагретый газ под высоким давлением проходит конденсатор, где путём теплообмена с охлаждающей средой (обычно с воздухом) переходит в жидкое состояние. Жидкость за счёт разницы давлений поступает в испаритель, где преобразуется в паровую фазу.

Солнечное охлаждение: схема установки для практического применения
Схема (распространённая) установки солнечного охлаждения: 1 – солнечный коллектор; 2 – циркуляционный насос; 3 – напорный теплообменник; 4 – абсорбционный охладитель; 5 – градирня; 6 – охлаждающие панели

Абсорбционный охладитель работает несколько иначе в плане преобразования фаз хладагента из одной в другую. Здесь для производства всей работы требуется только источник тепла и, что примечательно, не предусматривается применение движущихся частей конструкции (за исключением отдельных моментов).

Следующее различие между машинами – тип применяемого хладагента. Компрессионные машины традиционно работают на фреонах. Машины же абсорбционного типа, как правило, заправляются аммиаком или подобными агентами.

Рабочие циклы адсорбционных машин и тепловых насосов строятся на эффекте адсорбции газообразного хладагента с низким давлением, с последующим эффектом десорбции под нагреванием. Адсорбент, по сути — «химический компрессор», приводом которого выступает тепло.

Конструкционные особенности «насоса» системы

Адсорбционный «насос» охлаждающей системы содержит:

  • солнечный коллектор,
  • конденсатор (теплообменник),
  • испаритель.

Внутренняя область солнечного коллектора заполнена метанолом и адсорбционным материалом — активированным углём.

Схема абсорбционной машины под солнечное охлаждение
Классическая схема абсорбционной машины: 1 – генератор (нагреватель); 2 – аммиачный пар с водой; 3 – водяной сепаратор; 4 – конденсатор; 5 – испаритель; 6 – абсорбер (поглотитель)

Корпус адсорбционной машины заполняется водой, изолируется. Активированным углём обеспечивается значительный объём адсорбции паров метанола при температуре окружающей среды. Однако десорбция требует более высоких температур (около 100ºC).

Под воздействием солнечного тепла конструкция коллектора нагревается. Происходит десорбция метанола из активированного угля, нагрев, испарение. Пары направляются в область испарителя, где конденсируются в жидкую фазу.

Применение газообразного гелия рабочим агентом

Газообразный гелий также допустимо использовать рабочим агентом в температурном диапазоне 4ºK и выше. Циркуляция гелия выполняется термически зависимыми «сорбционными насосами», заправленными активированным углём. Примером такой системы является обеспечение охлаждающей мощностью камер холодильников серии «AST».

Фаза парообразного сверхтекучего гелия (3Не) снимается из содержимого смеси жидкости (4Не) и её изотопа (3Не). Сверхтекучий гелий (3He) адсорбируется на поверхности углерода при низкой температуре (обычно <4K). Регенерация насосом в диапазоне 20-40ºK возвращает вещество (3He) к фазе жидкой смеси.

Эффект охлаждения достигается на границе раздела двух жидких фаз, где сверхтекучий гелий (3He) «испаряется». Если система предусматривает более одного насоса, получается непрерывный поток газа. Следовательно, достигается постоянный процесс охлаждения. Такого типа системы позволяют получать температуру до 10 мК (0,01 кельвина) при наличии незначительного числа движущихся деталей.

Система осушения конструкции солнечного охладителя

Поглотитель влаги представляет собой гигроскопичное вещество, вызывающее (поддерживающее) состояние сухости на уровне локальной среды внутри герметичного контейнера.

Вещество, активно поглощающее влагу
Примерно таким внешне выглядит поглотитель влаги. Гигроскопическое вещество загружается в специальный контейнер (фильтр), который является частью абсорбционной системы

Обычно практикуемые упакованные осушители представлены твёрдыми веществами, действующими путём абсорбции или адсорбции воды. Поглотители влаги специального назначения могут иметь форму, отличную от твёрдой, и действовать на основе других принципов, например, химического связывания молекул воды.

Предварительно упакованный осушитель чаще всего используется для удаления чрезмерной влажности, способной ухудшать или разрушать продукты, чувствительные к влаге. В качестве осушителей используются:

  • дриерит,
  • силикагель,
  • сульфат кальция,
  • хлорид кальция,
  • монтмориллонитовая глина,
  • молекулярные сита.

Обычный рис тоже является распространённой, но «нетехнологичной» альтернативой, часто используемой, например, в солонках для поддержания зернистости столовой соли, эффективной россыпи или встряхивания.

Поваренную соль также можно рассматривать эффективным осушителем. Это вещество в течение тысячелетий использовалось для приготовления освобождённых от влаги продуктов, а также для мумификации тел умерших.

Хладагенты на системное охлаждение

Чиллер, предназначенный для охлаждения пара, использует хладагент в качестве рабочей жидкости. Доступны многие варианты хладагентов. Однако при выборе чиллера под охлаждение необходимо соответствовать требованиям к температуре охлаждения и характеристикам охлаждения хладагента. Важными параметрами для рассмотрения являются рабочие температуры и давления.

Холодильные агенты для чиллерных систем солнечного охлаждения
Холодильные агенты чиллерных систем, которые могут использоваться в системах солнечного охлаждения, представлены широким ассортиментом на современном рынке

Существует несколько факторов окружающей среды, которые касаются хладагентов, а также влияют на будущую готовность к применению в чиллерах под охлаждение. Это является ключевым фактором в периодических применениях, где чиллер может работать 25 лет и более. Однако приходится учитывать факт истощения озона атмосферы, что ведёт к глобальному потеплению климата.

Фреон — торговая марка семейства галогеналкановых хладагентов, выпускаемых разными компаниями мира. Эти хладагенты обычно использовались для охлаждения по причине превосходных свойств стабильности и безопасности. Фреоны не относятся к легковоспламеняющимся веществам и явно токсичным, как жидкости, которые фреоны заменили (например, диоксид серы). Однако хладагенты, используемые для охлаждения, содержащие хлор, способны накапливаться в атмосфере. В стратосфере фреоны распадаются под влиянием УФ-излучения, высвобождая атомы хлора.

Эти атомы хлора действуют как катализаторы разрушения озона, чем наносят серьёзный ущерб озоновому слою, призванному защищать поверхность Земли от сильного ультрафиолетового излучения Солнца. Хлор остаётся активным катализатором до момента связи с другой частицей и последующим образованием стабильной молекулы.

Хладагенты фреоны включают в производственный ассортимент продукты R-11 и R-12. Более новые хладагенты, обладающие уменьшенным эффектом разрушения озонового слоя, включают R-22, R-134a и аналогичные. Тем не менее, использование фреонов сохраняет значительным потенциал глобального потепления.

Более новые хладагенты, такие как сверхкритический диоксид углерода, известный под маркой R-744, в настоящее время являются объектом исследований. Подобного рода вещества имеют аналогичную эффективность по сравнению с существующими соединениями на основе фреонов и потенциал глобального потепления уже на много порядков ниже.

Видео создания солнечного охлаждения частного дома

Размещённый ниже видеоролик наглядно показывает, как своими руками можно соорудить систему охлаждения (кондиционирования) для частного дома, применяя энергию солнца. Для домашнего хозяйства такой подход позволяет существенно экономить на оплате счетов за электричество:


 



Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *