Солнечное кондиционирование - Solar air conditioning

Солнечное кондиционирование относится к любому кондиционирование воздуха (охлаждение) система, использующая солнечная энергия.

Это можно сделать через пассивный солнечный, солнечная тепловая энергия преобразование и фотоэлектрический преобразование (солнечный свет в электричество). Соединенные штаты. Закон об энергетической независимости и безопасности 2007 г.[1] обеспечил финансирование с 2008 по 2012 годы новой программы исследований и разработок систем кондиционирования воздуха с использованием солнечной энергии, которая должна разработать и продемонстрировать множество новых технологических инноваций и массовое производство эффект масштаба.

История

В конце 19 века наиболее распространенной жидкостью для абсорбционного охлаждения был раствор аммиак и вода. Сегодня сочетание литий бромид и вода также широко используется. Один конец системы расширительных / конденсационных труб нагревается, а другой конец становится достаточно холодным, чтобы образовался лед. Первоначально природный газ использовался в качестве источника тепла в конце 19 века. Сегодня, пропан используется в абсорбционных холодильных установках транспортных средств для отдыха. Коллекторы солнечной тепловой энергии с горячей водой также могут быть использованы в качестве современного источника тепла «свободной энергии». В 1976 году Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) опубликовало отчет, посвященный применению систем солнечной энергии для кондиционирования воздуха. Обсуждаемые методы включали как солнечную энергию (цикл поглощения и тепловой двигатель / цикл Ренкина), так и связанные с солнечной энергией (тепловой насос), а также обширную библиографию соответствующей литературы.[2]

Фотоэлектрическое (PV) солнечное охлаждение

Основная статья: Фотоэлектрическое электричество

Фотогальваника может обеспечить питание для любого типа электрического охлаждения, будь то обычный компрессор или адсорбция / абсорбция, хотя наиболее распространенная реализация - компрессоры. для небольших жилых и небольших коммерческих систем охлаждения (менее 5МВтч /а ) Охлаждение с помощью фотоэлектрических систем является наиболее часто применяемой технологией солнечного охлаждения. Причина этого обсуждается, но обычно предполагаемые причины включают структурирование стимулов, отсутствие оборудования для жилых помещений для других технологий солнечного охлаждения, появление более эффективных электрических охладителей или простоту установки по сравнению с другими технологиями солнечного охлаждения (например, лучистое охлаждение ).

Поскольку экономическая эффективность фотоэлектрического охлаждения в значительной степени зависит от охлаждающего оборудования и учитывая низкую эффективность методов электрического охлаждения до недавнего времени[когда? ] без субсидий это не было рентабельным. Использование более эффективных методов электрического охлаждения и увеличение сроков окупаемости меняют этот сценарий.

Например, 29 кВт (100000БТЕ /час ) США Energy Star номинальный кондиционер с коэффициент сезонной энергоэффективности (SEER) 14 требуется около 7 кВт электроэнергии для полного охлаждения в жаркий день. Для этого потребуется солнечная фотоэлектрическая система производства электроэнергии мощностью более 20 кВт с накопителем.

Фотогальваническая система мощностью 7 кВт, отслеживающая солнечные лучи, вероятно, будет иметь установленную цену, намного превышающую 20 000 долларов США (с текущими ценами на фотоэлектрическое оборудование).[когда? ] падает примерно на 17% в год). Затраты на инфраструктуру, проводку, монтаж и код NEC могут привести к дополнительным расходам; например, система привязки к сетке солнечных панелей мощностью 3120 Вт имеет пиковую стоимость панели 0,99 долл. США / ватт, но все еще стоит ~ 2,2 долл. США / пиковая мощность. Другие системы другой емкости стоят еще дороже, не говоря уже о системах резервного питания от батарей, которые стоят еще дороже.

Для более эффективной системы кондиционирования воздуха потребуется меньшая и менее дорогая фотоэлектрическая система. Качественный геотермальный тепловой насос установка может иметь SEER в диапазоне 20 (±). Для кондиционера SEER 20 мощностью 29 кВт (100 000 БТЕ / ч) во время работы потребуется менее 5 кВт.

Более новая технология с низким энергопотреблением, включая тепловые насосы постоянного тока с обратным инвертором, позволяет достичь рейтинга SEER до 26.

На рынке появляются новые некомпрессорные электрические системы кондиционирования воздуха с показателем SEER выше 20. Новые версии непрямых испарительных охладителей с фазовым переходом не используют ничего, кроме вентилятора и подачи воды для охлаждения зданий без дополнительной внутренней влажности (например, в аэропорту Маккаран, Лас-Вегас, Невада). В засушливом и засушливом климате с относительной влажностью ниже 45% (около 40% континентальной части США) испарительные охладители непрямого действия могут достигать SEER выше 20 и до SEER 40. Потребуется только испарительный охладитель непрямого действия мощностью 29 кВт (100 000 БТЕ / ч). достаточно фотоэлектрической энергии для циркуляционного вентилятора (плюс водоснабжение).

Менее дорогая фотоэлектрическая система с частичным питанием может уменьшить (но не исключить) ежемесячный объем электроэнергии, закупаемой у Энергосистема для кондиционирования воздуха (и других целей). Благодаря субсидиям правительства штата США в размере от 2,50 до 5 долларов США на фотоэлектрический ватт,[3] Амортизированная стоимость фотоэлектрической электроэнергии может быть ниже 0,15 доллара за кВтч. В настоящее время это рентабельно в некоторых районах, где электроэнергия энергокомпании сейчас стоит 0,15 доллара или больше. Избыточная фотоэлектрическая энергия, генерируемая, когда кондиционирование воздуха не требуется, может быть продана Энергосистема во многих местах, что может снизить или исключить ежегодную потребность в чистой электроэнергии. (Увидеть Здание с нулевым потреблением энергии )

Superior энергоэффективность могут быть спроектированы в новое строительство (или переоборудованы в существующие здания). Поскольку Министерство энергетики США была создана в 1977 году, их Утепление Программа помощи[4] снизила нагрузку на отопление и охлаждение 5,5 млн доступных домов для малоимущих в среднем на 31%. Сотни миллионов американских зданий все еще нуждаются в улучшении утепления. Неосторожные традиционные методы строительства по-прежнему приводят к появлению неэффективных новых зданий, нуждающихся в утеплении при первом заселении.

Довольно просто уменьшить потребность в отоплении и охлаждении для нового строительства вдвое. Часто это можно сделать без дополнительных чистых затрат, поскольку есть экономия на меньших системах кондиционирования воздуха и другие преимущества.

Геотермальное охлаждение

Земля укрытие или трубы охлаждения земли может использовать температуру окружающей среды, чтобы снизить или исключить традиционные требования к кондиционированию воздуха. Во многих климатических условиях, где проживает большинство людей, они могут значительно уменьшить накопление нежелательной летней жары, а также помочь отвести тепло из внутренних помещений здания. Они увеличивают стоимость строительства, но снижают или полностью исключают стоимость обычного оборудования для кондиционирования воздуха.

Трубки для охлаждения Земли не являются рентабельными в жарких влажных тропических условиях, когда температура окружающей среды Земли приближается к температурной зоне комфорта человека. А солнечный дымоход или фотоэлектрический -приводной вентилятор может использоваться для отвода нежелательного тепла и втягивания более холодного, осушенного воздуха, прошедшего через поверхности с температурой окружающей среды. Важными вопросами проектирования являются контроль влажности и конденсации.

А геотермальный тепловой насос использует температуру окружающей среды для улучшения SEER для нагрева и охлаждения. В глубокой скважине осуществляется рециркуляция воды для извлечения температуры окружающей среды, обычно из расчета 8 литров (2 галлона США) воды на метрическую тонну в минуту. Эти системы с «разомкнутым контуром» были наиболее распространены в ранних системах, однако качество воды могло вызвать повреждение змеевиков в тепловом насосе и сократить срок службы оборудования. Другой метод - это система с замкнутым контуром, в которой петля из труб спускается в колодец или колодцы или в траншеи на лужайке для охлаждения промежуточной жидкости. Когда используются колодцы, их засыпают бентонитом или другим цементным материалом, чтобы обеспечить хорошую теплопроводность по отношению к земле.

В прошлом предпочтительной жидкостью была смесь пропиленгликоля 50/50, потому что она нетоксична в отличие от этиленгликоля (который используется в автомобильных радиаторах). Пропиленгликоль вязкий и со временем склеит некоторые части петли (петель), так что он потерял популярность. сегодня[когда? ], наиболее распространенным агентом переноса является смесь воды и этилового спирта (этанола).

Температура окружающей среды намного ниже пиковой температуры воздуха летом и намного выше минимальной экстремальной температуры воздуха зимой. Вода в 25 раз более теплопроводна, чем воздух, поэтому она намного эффективнее теплового насоса с наружным воздухом (который становится менее эффективным, когда наружная температура падает зимой).

Такой же тип геотермальной скважины можно использовать без теплового насоса, но с гораздо меньшими результатами. Вода с температурой окружающей среды прокачивается через закрытый радиатор (например, автомобильный радиатор). Воздух проходит через радиатор, который охлаждается без кондиционера на базе компрессора. Фотоэлектрические солнечные электрические панели производят электроэнергию для водяного насоса и вентилятора, что исключает обычные счета за коммунальные услуги за кондиционирование воздуха. Эта концепция является рентабельной, если температура окружающей среды в данном месте ниже зоны теплового комфорта человека (не в тропиках).

Солнечное кондиционирование воздуха без обратной связи с использованием осушителей

Воздух можно пропускать через обычный, твердый осушители (любить силикагель или цеолит ) или жидкие осушители (например, бромид / хлорид лития) для извлечения влаги из воздуха для обеспечения эффективного механического или охлаждение испарением цикл. Затем осушитель регенерируется с помощью солнечная тепловая энергия для осушения в экономичном, низкоэнергетическом, непрерывно повторяющемся цикле.[5] А фотоэлектрический Система может приводить в действие низкоэнергетический вентилятор циркуляции воздуха и двигатель для медленного вращения большого диска, заполненного влагопоглотителем.

Вентиляция с рекуперацией энергии системы обеспечивают контролируемый способ вентиляции дома при минимизации потерь энергии. Воздух проходит через "колесо энтальпии «(часто с использованием силикагеля) для снижения затрат на нагрев вентилируемого воздуха зимой за счет передачи тепла от теплого внутреннего воздуха, выходящего на свежий (но холодный) приточный воздух. Летом внутренний воздух охлаждает более теплый входящий воздух. воздух для снижения затрат на охлаждение вентиляции.[6] Эта энергосберегающая вентиляционная система с вентилятором и двигателем может быть экономически выгодна фотогальваника, с усиленным натуральным конвекция исчерпать солнечный дымоход - нисходящий поток воздуха будет вынужденной конвекцией (адвекция ).

Осушитель как хлорид кальция может быть смешан с водой для создания рециркулирующего водопада, который осушает комнату, используя солнечную тепловую энергию для регенерации жидкости, и низкоскоростной водяной насос с фотоэлектрическим приводом для циркуляции жидкости.[7]

Активное солнечное охлаждение, при котором солнечные тепловые коллекторы обеспечивают входную энергию для системы адсорбционного охлаждения. Существует несколько коммерчески доступных систем, которые продувают воздух через среду, пропитанную адсорбентом, как для цикла осушения, так и для цикла регенерации. Солнечное тепло - это один из способов включения цикла регенерации. Теоретически насадочные колонны могут использоваться для создания противотока воздуха и жидкого осушителя, но обычно не используются в коммерчески доступных машинах. Показано, что предварительный нагрев воздуха значительно улучшает регенерацию адсорбента. Насадочная колонна дает хорошие результаты в качестве осушителя / регенератора при условии, что падение давления можно уменьшить с помощью подходящей насадки.[8]

Пассивное солнечное охлаждение

Основные статьи: Пассивное охлаждение и Пассивный солнечный

В этом типе охлаждения солнечная тепловая энергия не используется напрямую для создания холодной среды или управления процессами прямого охлаждения. Вместо, солнечная конструкция здания направлена ​​на снижение скорости теплопередача в здание летом, улучшая отвод нежелательного тепла. Это предполагает хорошее понимание механизмов теплопередача: теплопроводность, конвективный теплообмен, и тепловое излучение, последнее в первую очередь от солнца.

Например, признаком плохого теплового дизайна является чердак, где летом становится жарче, чем максимальная температура наружного воздуха. Это можно значительно уменьшить или устранить с помощью крутая крыша или зеленая крыша, который может снизить температуру поверхности крыши летом на 70 ° F (40 ° C). А лучистый барьер а воздушный зазор под крышей блокирует около 97% нисходящего излучения от нагреваемой солнцем кровли.

Пассивное солнечное охлаждение намного легче добиться в новом строительстве, чем путем адаптации существующих зданий. Пассивное солнечное охлаждение связано с множеством конструктивных особенностей. Это основной элемент проектирования здание с нулевым потреблением энергии в жарком климате.

Абсорбционное охлаждение с обратной связью

Основная статья: Абсорбционный тепловой насос

Ниже приведены распространенные технологии, используемые для солнечного теплового кондиционирования воздуха с обратной связью.

  • Поглощение: NH
    3    /ЧАС
    2    О     или аммиак / вода
  • Поглощение: вода / бромид лития
  • Поглощение: вода / хлорид лития
  • Адсорбция: вода / силикагель или вода / цеолит
  • Адсорбция: метанол / активированный уголь[9]

В активном солнечном охлаждении используются солнечные тепловые коллекторы для обеспечения солнечной энергией чиллеров с тепловым приводом (обычно адсорбционных или абсорбционных чиллеров).[10] Солнечная энергия нагревает жидкость, которая передает тепло генератору абсорбционного чиллера и возвращается обратно в коллекторы. Тепло, поступающее в генератор, запускает цикл охлаждения, в результате которого образуется охлажденная вода. Полученная охлажденная вода используется для охлаждения крупных коммерческих и промышленных предприятий.

Солнечная тепловая энергия могут использоваться для эффективного охлаждения летом, а также для нагрева воды для бытового потребления и зданий зимой. Одинарные, двойные или тройные итерационные циклы абсорбционного охлаждения используются в различных конструкциях систем солнечного термического охлаждения. Чем больше циклов, тем они эффективнее. Абсорбционные чиллеры работают с меньшим шумом и вибрацией, чем чиллеры на базе компрессора, но их капитальные затраты относительно высоки.[11]

Для эффективных абсорбционных чиллеров обычно требуется вода с температурой не менее 190 ° F (88 ° C). Обычная недорогая плоская пластина солнечные тепловые коллекторы производят только воду около 160 ° F (71 ° C). Высокотемпературные плоские пластинчатые, концентрирующие (CSP) или откачанные трубчатые коллекторы необходимы для получения требуемых жидкостей для переноса более высоких температур. В крупномасштабных установках есть несколько проектов, успешно эксплуатируемых как с технической, так и с экономической точки зрения, по всему миру, в том числе, например, в штаб-квартире Caixa Geral de Depósitos в Лиссабоне с солнечными коллекторами площадью 1579 кв. м (17 000 кв. футов) и мощностью охлаждения 545 кВт или в Олимпийской парусной деревне в Циндао / Китай. В 2011 году самая мощная электростанция в новом здании Сингапура United World College будет введена в эксплуатацию (1500 кВт).

Эти проекты показали, что плоские солнечные коллекторы, специально разработанные для температур выше 200 ° F (93 ° C) (с двойным остеклением, усиленной изоляцией задней стороны и т. Д.), Могут быть эффективными и экономичными.[12] Если вода может быть нагрета до температуры выше 190 ° F (88 ° C), ее можно хранить и использовать, когда солнце не светит.

Экологический центр Одюбон на Региональный парк Эрнеста Э. Дебса в Лос-Анджелесе есть пример установки солнечного кондиционирования воздуха,[13][14] которые вышли из строя вскоре после ввода в эксплуатацию и больше не обслуживаются.[нужна цитата ] В Газ Южной Калифорнии Co. (Газовая компания) также тестирует практичность солнечных тепловых систем охлаждения в своем Центре энергоресурсов (ERC) в Дауни, Калифорния. Солнечные коллекторы от Сопогий и Cogenra были установлены на крыше ERC и производят охлаждение для системы кондиционирования воздуха в здании.[15] Масдар Сити в Объединенные Арабские Эмираты также испытывает абсорбционную охлаждающую установку двойного действия с использованием Сопогий коллекторы параболических желобов,[16] Массив Mirroxx Fresnel и высоковакуумные солнечные тепловые панели TVP Solar.[17]

В течение 150 лет абсорбционные чиллеры использовались для производства льда (до изобретения электрических лампочек).[18] Этот лед можно хранить и использовать в качестве «ледяной батареи» для охлаждения, когда солнце не светит, как это было в 1995 году. Отель New Otani Tokyo в Японии.[19] В открытом доступе доступны математические модели для расчета характеристик аккумуляторов тепловой энергии на основе льда.[20]

Солнечный ледогенератор ISAAC представляет собой прерывистый цикл поглощения аммиака и воды солнечными батареями. ISAAC использует параболический желоб солнечный коллектор а также компактная и эффективная конструкция для производства льда без подачи топлива или электроэнергии и без движущихся частей.[21]

Поставщики систем солнечного охлаждения включают ChillSolar,[22] ТВЕРДЫЙ,[23] Сопогий,[24] Cogenra,[25] Промышленная солнечная энергия[26] и TVP Solar[27] для коммерческих установок и ClimateWell,[28] Фагор -Ротартика, SorTech и Daikin в основном для жилых систем. Cogenra использует солнечную когенерацию для производства как тепловой, так и электрической энергии, которую можно использовать для охлаждения.[29]

Солнечные системы охлаждения с концентрационными коллекторами

Основными причинами использования концентрирующих коллекторов в солнечных системах охлаждения являются: высокоэффективное кондиционирование воздуха за счет соединения с чиллерами двойного / тройного действия; и солнечное охлаждение, обслуживающее промышленных конечных пользователей, возможно, в сочетании с технологическим теплом и паром.[30]

Что касается промышленного применения, то несколько исследований, проведенных в последние годы, показали, что существует высокий потенциал охлаждения (температуры ниже 0 ° C) в различных регионах земного шара (например, в Средиземноморье,[31] Центральная Америка[32]). Однако это может быть достигнуто с помощью аммиачных / водопоглощающих чиллеров, требующих высокой температуры подводимого тепла в генераторе в диапазоне (120 ÷ 180 ° C), который может быть удовлетворен только путем концентрации солнечных коллекторов. Более того, для некоторых промышленных применений требуется как охлаждение, так и пар, и концентрирование солнечных коллекторов может быть очень выгодным в том смысле, что их использование максимально эффективно.

Здания с нулевым потреблением энергии

Цели здания с нулевым потреблением энергии включают устойчивый, зеленое здание технологии, которые могут значительно сократить или полностью исключить чистые годовые счета за электроэнергию. Высшее достижение - это полностью вне сетки автономное здание это не обязательно должно быть связано с коммунальными предприятиями. В жарком климате со значительными дипломные дни требований к охлаждению, передовое солнечное кондиционирование воздуха будет становиться все более важным критический фактор успеха.

Смотрите также

Заметки

использованная литература

  1. ^ «Закон США об энергетической независимости и безопасности 2007 года». Получено 23 декабря 2007.
  2. ^ Nash, J.M .; Харстад, А.Дж. «Применение солнечной энергии в системах кондиционирования воздуха (1976 г.)». Сервер технических отчетов НАСА. Получено 26 ноября 2016.
  3. ^ «База данных государственных стимулов для возобновляемых источников энергии и эффективности® - DSIRE». DSIRE. Получено 8 апреля 2018.
  4. ^ EERE: Домашняя страница Программы помощи по утеплению Министерства энергетики
  5. ^ Сан, Дж. Й., Лаван, З., Ворек, В. М., Жан-Батист Монье, Франта, Г. Э., Хаггард, К., Гленн, Б. Х., Колар, В. А., Хауэлл, Дж. Р. (1982). «Эксергетический анализ адсорбционной системы охлаждения на солнечных батареях». Proc. Американской секции интерн. Общество солнечной энергии: 567-572
  6. ^ EERE Consumer's Guide: Системы вентиляции с рекуперацией энергии
  7. ^ Водопад жидкого осушителя для привлекательного осушения здания
  8. ^ Осушитель / регенератор с уплотненным слоем для солнечного кондиционирования воздуха с жидкими осушителями (Фактором, Х. М. и Гроссманом, Г., Технион - Израильский технологический институт )
  9. ^ «Кондиционер на солнечной энергии». machine-history.com. Получено 8 апреля 2018.
  10. ^ Джордж О. Г. Лёф (1993). Активные солнечные системы. MIT Press. п. 682. ISBN  978-0-262-12167-5.
  11. ^ Отаникар, Тодд; Тейлор, Роберт А .; Фелан, Патрик Э. (2012). «Перспективы солнечного охлаждения - экономическая и экологическая оценка». Солнечная энергия. 86 (5): 1287–1299. Bibcode:2012 SoEn ... 86.1287O. Дои:10.1016 / j.solener.2012.01.020.
  12. ^ «Солнечное охлаждение». www.solid.at. Доступ 1 июля 2008 г.
  13. ^ Лес Хамасаки. «10-тонная солнечная система кондиционирования воздуха в экологическом центре Debs Park Audubon в Лос-Анджелесе (6-минутное видео)». Получено 23 декабря 2007.
  14. ^ Грегори Райт, «Дебют солнечно-тепловой технологии HVAC в Лос-Анджелесе в новом Городском природном центре Одубона», EnergyPulse, 2.3.04, по состоянию на 2 июля 2014 г.
  15. ^ «SoCalGas тестирует необычный солнечный кондиционер». Лос-Анджелес Таймс. 25 мая 2012 г.
  16. ^ «Визит Его Высочества генерала шейха Мохаммеда бин Заида Аль Нахайяна, наследного принца Абу-Даби и заместителя верховного главнокомандующего вооруженными силами ОАЭ в Масдар». Завя. 20 октября 2011 г.. Получено 25 октября 2011.
  17. ^ «Масдар Сити испытывает плоские солнечные тепловые панели TVP с высоким вакуумом для кондиционирования воздуха» (PDF). Масдар. 16 февраля 2012 г.. Получено 16 января 2012.
  18. ^ Героид Фоли; Роберт ДеВо; Ричард Свитсер. «Будущее абсорбционной технологии в Америке» (PDF). Министерство энергетики США по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (EERE). Архивировано из оригинал (PDF) 28 ноября 2007 г.. Получено 8 ноября 2007.
  19. ^ «Система охлаждения льда снижает нагрузку на окружающую среду». Новости Нового Отани. Нью Отани Ко., Лтд. 28 июня 2000 г.. Получено 8 ноября 2007.
  20. ^ «Разработка модели накопителя тепловой энергии для EnergyPlus» (PDF). 2004. Получено 6 апреля 2008.
  21. ^ "ISAAC Solar Icemaker".
  22. ^ "ChillSolar".
  23. ^ «Солнечная установка + дизайн».
  24. ^ «Технология производства солнечного тепла Sopogy».
  25. ^ «Когенераторная когенерация».
  26. ^ "Mirroxx теперь Industrial Solar". Солнце и энергия ветра. Получено 8 апреля 2019.
  27. ^ "TVP Solar SA".
  28. ^ «Хранение энергии в соли - запатентовано во всем мире». Технология SaltX. Получено 8 апреля 2018.
  29. ^ Эндрю Бургер (24 мая 2012 г.). «Солнечная когенерация увеличивает возможности охлаждения». TriplePundit.
  30. ^ Аяди, Усама; Априле, Марчелло; Мотта, Марио (1 января 2012 г.). «Солнечные системы охлаждения, использующие концентрирующие солнечные коллекторы - обзор». Энергетические процедуры. 30: 875–883. Дои:10.1016 / j.egypro.2012.11.099. ISSN  1876-6102.
  31. ^ Аяди, Усама. «Солнечная энергия охлаждает молоко» (PDF).
  32. ^ Пилатовский, ISAAC; Скочча, Россано. «Солнечное охлаждение в пищевой промышленности Мексики: тематическое исследование». Прикладная теплотехника.

внешние ссылки