Солнечная энергия для охлаждения воздуха реферат

Обновлено: 03.07.2024

Хотя основной упор в данной книге делается на отопление, некоторого обсуждения заслуживает и солнечное охлаждение. Охлаждение зданий занимает лишь небольшую часть в нашем национальном потреблении энергии. Действительно, энергия, расходуемая на кондиционирование воздуха в жилых зданиях, составляет около одной десятой от энергии, идущей на отопление помещений. Тем не менее спрос на энергию охлаждения возрастает гораздо более высокими темпами, чем на отопление. Потребность в энергии на охлаждение также до некоторой степени носит региональный характер; так, например, в некоторых районах, скажем на юго-западе страны, на охлаждение идет больше энергии, чем на отопление.

Солнечное охлаждение имеет некоторые свойственные ему преимущества перед солнечным отоплением. Потребность в охлаждении больше совпадает по фазе с периодом поступления солнечной радиации в течение как года, так и суток. Поскольку уровень солнечной радиации является определяющим фактором, влияющим на величину температуры наружного воздуха, очевидно, что самое теплое время года обычно наступает в период наибольшей интенсивности солнечной радиации. Аналогично в масштабе суток часы наступления наиболее высоких температур близко соответствуют времени, когда имеет место самый высокий уровень солнечной радиации.

Другие факторы, такие, как ветер и влажность (и внутренняя тепловая нагрузка здания), также оказывают влияние на требования к охлаждению и могут изменить корреляцию между интенсивностью солнечной радиации и потребностью в охлаждении. Обычно системы солнечного охлаждения рассчитываются с допущением, что пиковые тепловые нагрузки при охлаждении необязательно соответствуют пиковой интенсивности солнечной радиации.

Летний пиковый спрос на электроэнергию часто довольно близко соответствует пиковой интенсивности солнечной радиации, которая в свою очередь вызывает пиковую потребность в охлаждении; таким образом, можно резко снизить пиковую электроэнергетическую нагрузку при широком использовании солнечного охлаждения. Несмотря на то что энергия, идущая на летнее охлаждение жилых и торговых зданий, составляет менее 3% общего годового потребления энергии в стране, этот показатель равен уже 42% общего летнего потребления энергии.

Двумя основными методами понижения температуры воздуха при охлаждении помещений являются искусственное охлаждение (по сути дела извлечение тепловой энергии из воздуха) и охлаждение за счет испарения (испарение влаги в воздух). Также применяется осушение воздуха. Охлаждение испарением происходит при испарении воды; например, испарение пота с кожи является одним из механизмов поддержания прохлады тела. Охлаждение зданий испарением наиболее эффективно в сухом климате, например в юго-западной части страны.

Во влажном климате целесообразно применять метод охлаждения, состоящий в удалении влаги из воздуха, т. е. осушении, обычно называемый абсорбционным осушением; этот метод использует гигроскопические материалы-осушители для удаления большей части влаги из воздуха, с которым они соприкасаются. В качестве осушителей используются такие твердые вещества, как силикагель, и жидкости, такие, как триэтиленгликоль. Чтобы повторно использовать тот же осушитель, для выпаривания поглощенной жидкости необходимо его нагреть. Проводятся исследования применения солнечной энергии как источника тепла для осуществления этого регенеративного процесса (осушения). Если осушающее и охлаждающее действие недостаточно, то температуру осушаемого воздуха можно частично понизить в испарительном воздухоохладителе. На рис. 5.100 представлена схема использования солнечной энергии для абсорбционного осушения.

Наиболее распространенной является компрессионно-испарительная система охлаждения с электроприводом. Ее можно применять для кондиционирования воздуха, поступающего в систему почти в любом состоянии; в большинстве районов страны этот метод охлаждения может обеспечить более высокий уровень комфорта, чем другие системы. Многие встроенные в ограждающие конструкции кондиционеры являются малогабаритными вариантами систем этого типа. Проводятся исследования в области использования детандера, работающего по циклу Ренкина на солнечной энергии и непосредственно соединенного с валом компрессора. Концентрирующие коллекторы нашли применение для получения температур пара до 320° С для приведения в действие паровой турбины, которая в свою очередь вращает вал обычного компрессора компрессионной холодильной установки.

При эксплуатации абсорбционных систем для охлаждения помещений, как правило, наименьший уровень температуры не должен быть ниже 85° С. Даже эта кажущаяся высокой температура на самом деле намного ниже обычно требуемых по стандарту температур 120—150° С. На рис. 5.101 схематически показана абсорбционная система, в которой солнечная энергия как источник тепла используется для процесса охлаждения. Солнечные коллекторы должны работать при температурах, на 8—Н°С превышающих рабочую температуру абсорбционной установки. Естественно, что при таких высоких температурах КПД коллектора резко падает. Широкие технические разработки сейчас осуществляются в области холодильного оборудования, которое может работать при более низких температурах, а также в об-

Рис. 5.100. Солнечное охлаждение методом абсорбционного осушения f27]

/ — атмосферный воздух; 2 — плоский солнечный коллектор с пластинами внахлестку (два стеклянных покрытия); 3— нагретый воздух; 4 — выпуск теплого влажного воздуха в атмосферу; 5 — охлажденный воздух в помещение; б? —теплый слабый гликоль; ? — теплообменник; 8 — башенный охладитель; 9 — вода; 10— испарительный воздухоохладитель; // — осушенный воздух; 12 — вентилятор; 13 — распылители; И — десорбционная камера; 15 — охладитель; /6 — абсорбционная камера; /7— горячий слабый гликоль; 18 — горячий воздух; 19 — горячий сильный гликоль; 20 — насос; 21 — слабый гликоль; 22 — теплый, влажный воздух из помещения

ласти солнечных коллекторов, имеющих достаточно высокий КПД при высоких рабочих температурах.

Доктор Джордж Лёф показал, что если воду при температуре около 100° С подавать насосом из коллектора в генератор, то она будет переносить тепло при 82° С и возвращать его в коллектор для подогрева при температуре около 93° С. При дневной температуре окружающего воздуха 32° С 1 м2 коллектора может обеспечить не менее 1000 кДж при среднем КПД коллектора 40%. Полученная охлаждающая способность будет составлять около 5100 кДж. Коллектор площадью 56 м2 может обеспечить суточную теплопроизводительность для охлаждающей системы на уровне 3165 кДж/ч, что эквивалентно производительности при охлаждении на уровне 2,5 т.

Из-за необходимости иметь высокие рабочие характеристики солнечные коллекторы, предназначенные для таких охлаждающих систем, несомненно будут дороже коллекторов, которые применяются для зимнего отопления. Однако если один и тот же коллектор можно использовать для обеих целей, то его более высокая стоимость окупится в итоге за меньший период времени.

Коллекторы, предназначенные для летнего охлаждения, могут быть концентрирующими и плоскими. Концентрирующие коллекторы имеют ограничения, упомянутые выше, но способны обеспечить более высокую температуру при достаточно высо
ком КПД в соответствующих климатических условиях, т. е. при высоком проценте прямой солнечной радиации

Плоские коллекторы с селективным покрытием должны иметь от одного до трех и более прозрачных верхних покрытий. Если используется стекло, то оно должно иметь высокую пропуска - тельную и низкую отражательную способность. Для большей части абсорбционного оборудования чаще всего требуются жидкостные, а не воздушные коллекторы. Маловероятно, что будут разрабатываться коллекторы воздушного типа для применения в сочетании с абсорбционным охлаждающим оборудованием.

Коллекторы, функционирующие только летом, должны иметь намного более пологий угол наклона, чем коллекторы, работающие только зимой или же круглогодично. Меньший угол наклона, по-видимому, более совместим с обычными скатными крышами и даже может быть приспособлен к плоским крышам.

Ночное излучение в атмосферу, рассматриваемое в предыдущем разделе и ниже, представляет собой процесс охлаждения, который происходит, когда предметы излучают свое тепло в более прохладную ночную атмосферу. Районы с сухим климатом, особенно с теплыми днями и холодными ночами, являются наиболее подходящими для этого метода охлаждения благодаря низким атмосферным температурам и прозрачности атмосферы. Воздух /или воду молено охлаждать по мере их циркуляции вдоль поверхности, открытой для ночной атмосферы.

Доктор Гарри Томасон применил тот же принцип в своем первом солнечном доме в Вашингтоне в 1959 г. Вода из зимнего бака — аккумулятора тепла подавалась насосом к коньку обращенной на север крыши и охлаждалась излучением в ночную атмосферу при стекании по поверхности зачерненного гонта. Прохлада аккумулировалась в большом баке с водой с целью использования в теплые дни.

Дом Гарольда Хзя в Атаскадеро, шт. Калифорния, охлаждался без помощи движущихся частей, за исключением задвижных горизонтальных изолирующих ставней, которые открывались ночью, давая возможность охлаждаться наполненным водой мешкам, излучавшим тепло в атмосферу. Днем ставни задвигались на прежнее место, удерживая прохладу и не пропуская жару внутрь.

Солнечное охлаждение можно также осуществить путем правильного использования аккумулятора, предназначенного для зимнего солнечного отопления. В некоторых случаях прохладный наружный ночной воздух можно использовать для охлаждения теплоаккумулятора для применения в течение дня. Еще больше его можно охладить при помощи небольшого холодильного компрессора. Если компрессор будет работать только ночью во внепиковый период, то его мощность может быть в два раза меньше мощности компрессора, работающего в пиковый период охлаждения. Размеры компрессора могут быть еще больше уменьшены, если он будет работать постоянно, охлаждая аккумулятор солнечного тепла, даже когда охлаждение помещения не требуется. Маловероятно, что оба эти метода значительно уменьшат эксплуатационные расходы, однако они могут снизить первоначальные затраты.

Системы двойного аккумулирования можно применять также и в сочетании с тепловыми насосами дня летнего охлаждения. Тепловые насосы могут переносить тепло из одного аккумулятора в другой, охлаждая первый и нагревая второй. Прохлада используется в здании, а тепло из второго аккумулятора сбрасывается в окружающую среду либо с помощью механических средств, либо естественным путем, например за счет ночной радиации.

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:

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:

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:

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.

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.

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.

солнечный коллектор,
конденсатор (теплообменник),
испаритель.

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

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

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 Система осушения конструкции солнечного охладителя

Поглотитель влаги представляет собой гигроскопичное вещество (селикагель или другое), вызывающее (поддерживающее) состояние сухости на уровне локальной среды (внутренней области герметичного контейнера).

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.

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 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:

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Производство холода осуществляется либо путем рекуперации солнечного тепла с помощью солнечных тепловых коллекторов , либо с помощью солнечного электричества , например , с помощью фотоэлектрических панелей .

Этот метод кондиционирования воздуха, который может заменить использование ископаемых ресурсов, имеет основное преимущество, заключающееся в том, что он способен обеспечивать максимально холодную погоду в самую жаркую погоду, что обычно соответствует периодам, когда солнце наиболее доступно. Однако в самых жарких регионах отвод тепла, отбираемого из зданий для кондиционирования воздуха, может оказаться проблематичным.

Резюме

Кондиционирование с помощью теплового эффекта и вихря

Этот кондиционер пассивный. Его принцип - установка печной трубы большой длины (от 6 до 8 м), окрашенной в черный цвет. Воздух в этой трубе нагревается, что создает явление всасывания в основании трубы. Система плавников заставляет воздух образовывать вихрь. Наконец, небольшая труба собирает холодный воздух, расположенный в центре вихря, то есть в центре трубы печи.

Кондиционирование воздуха путем осушения / испарения

Системы осушения представляют собой открытые системы, использующие воду, находящуюся в прямом контакте с воздухом в качестве хладагента. В современных зданиях они систематически используются вместе с приточно-вытяжными установками (AHU).

Самые простые системы пассивны и используют испарение воды там, где это возможно.

Этот процесс наблюдается у термитов, которые охлаждают свои термитники, строя большие дымоходы, открытые солнцу. Эти дымоходы вентилируют галереи, где испарение воды с земли поддерживает более прохладную атмосферу.

Кондиционирование воздуха абсорбцией

Более сложные, они используют в замкнутых циклах гидрофильный материал для поглощения или восстановления воды, что позволяет создать компрессор, который не использует или почти не использует механическую энергию, поэтому с помощью солнечных коллекторов мы можем создать кондиционер, который больше реагирует на внешнюю температуру.

Адсорбционное кондиционирование

На основе цикла испарения / конденсации.

Примеры установки

В продолжении темы про возможное использование солнечной энергии в различных сферах нашей жизни. Эта заметка рассказывает про системы охлаждения, работающие от солнечной энергии.
Еще в 2001 году в США была запатентована, а потом проверена на практике система охлаждения на солнечных элементах, которая исключает зависимость на электрической сети, не требует дорогостоящих аккумуляторных батарей, и сохраняет энергию для эффективного использования, когда отсутствует солнечный свет.

Инновационная холодильная система использует парокомпрессионную холодильную машину постоянного тока с частотным преобразователем, соединенную с солнечной фотоэлектрической (PV) панелью с помощью новой электронной систем управления.

Это экологичная система идеально подходит для использования в коммерческих или бытовых холодильниках, морозильниках, медицинских холодильниках для хранения вакцин, или производства льда.

Фото экспериментального образца.

Экологичность: Использование энергии солнца, уменьшает зависимость от ископаемых видов топлива;
Время работы: Установки работают постоянно в течении уже многих лет, что доказано тестами прототипов в различных местах по всему миру
Масштабируемость: Возможен широчайший диапазон размеров, от портативных холодильников до систем кондиционирования зданий и сооружений.

Применение:
- Холодильники;
- Морозильные камеры;
- Льдогенераторы;
- Кулеры и водоохладители;
- Системы кондиционирования зданий.

Принцип работы системы :

Холодильная система на солнечной энергии была разработана в Космический центр имени Линдона Джонсона (Johnson Space Center NASA) в США. Это центр НАСА по разработке пилотируемых космических кораблей, обучению астронавтов и подготовке пилотируемых космических полётов, центр управления и контроля за космическими полётами. Сейчас он занимает ведущую позицию в работе по техническому обеспечению МКС.

На практике холодильная система работает за счет сохранения холода и новаторских технологий управления процессом. Система охлаждения включает в себя фотоэлектрические панели, компрессор с частотным преобразователем, теплоизолированный корпус, тепловой ресивер (аккумулятор холода) и электронную систему управления.

Фотоэлектрических (PV) панели преобразуют солнечный свет в постоянный электрический ток .Далее начинается обычный холодильный цикл, сходный с циклом льдоаккумулятора. При подаче тока приводится в действие компрессор, который осуществляет циркуляцию хладагента через систему. В результате фазового перехода жидкость - газ производится отбор тепла при кипении хладагента от специального вещества-аккумулятора холода (теплового ресивера). Тепловой ресивер (аккумулятор холода) находится внутри изолированного корпуса и включает в себя вещество, которое осуществляет фазовый переход. Это вещество замораживают до твердого состояния - "льда", и используют, как аккумулятор холода, для поддержания температуры внутри изолированного корпуса в отсутствии солнечного света.
Преобразование солнечной энергии в хранимый холод оптимизировано через управление работой компрессора, и направлено на максимальную эффективность использования компрессором доступной энергии.

Схема установки: Видно, что сам холодильный цикл абсолютно классический: газ нагнетается компрессором в холодильный конденсатор, где он превращается в жидкость, далее жидкость дросселируется через капиллярную трубку в испаритель, где кипит отнимая тепло от специального вещества, которое аккумулирует холод, переходя из жидкого состояния в твердое, далее газ возвращается обратно в компрессор и цикл повторяется снова. Охлаждение самого внутреннего объем холодильника осуществляется уже аккумулированным холодом.

Другие меры оптимизации питания включают в себя:
- Компрессор работает с электрическим конденсатором, который сглаживает напряжение и обеспечивает рабочий момент для пуска мотора компрессора;
- Контроллер отслеживает изменение напряжения питания, чтобы определить, компрессор работает ниже или выше доступной на данный момент максимальной мощности и, соответственно, регулирует работу компрессора.
Управление работой компрессора через частотный преобразователь осуществляется для максимального использования всей полученной энергии и наибольшего превращения ее в холод.
- Замена капиллярной трубки в системе на терморасширительный вентиль, может в определенных условиях эксплуатации повысить эффективность системы
- Также может быть добавлена резервного питания от альтернативного источника энергии, например, электрической сети.

Правильный расчет всей системы позволяет ей непрерывно функционировать в течении всего года.

Отличием этого холодильника от других существующих солнечных холодильников состоит в использование аккумулятора холода в охлаждаемом объеме. В то время, как другие системы подобные системы, используют электрические аккумуляторные батареи для поддержания постоянной работы компрессора.
Т.е. "фишка" этой системы в накопление холода посредством "аккумулятора холода", а не электроэнергии, посредством электрических батарей. Согласитесь довольно интересное решение.
Аккумуляторные батареи достаточно дороги , а их использование и утилизация негативно воздействуют на окружающую среду, поэтому такие системы менее экологичны, чем представленная выше.

Читайте также: