Výroba klimatizačného chladu zo solárneho tepla

Článok sa venuje téme priamej výroby klimatizačného chladu zo solárneho tepla, a to najmä na účely klimatizovania veľkých obytných, administratívnych alebo výrobných budov. Zariadenie je kombináciou plochých reflexných solárnych kolektorov ako zdroja pohonného tepla a kedysi hojne používaného ejektorového chladenia. Hlavnými atribútmi tohto typu chladiaceho systému sú jednoduchosť a spoľahlivosť. Teplo vyrobené v opisovanom Fresnelovom solárnom systéme možno akumulovať aj v prípade prevádzky s nízkym alebo nulovým slnečným svitom alebo ho možno využiť na vykurovacie či priemyselné účely. 

Potreba chladiacich výkonov – najmä na účely klimatizácie – sa vo veľkých budovách pohybuje spravidla rádovo od niekoľkých stoviek kilowattov až po megawattovú úroveň, čo predstavuje značnú záťaž pre elektrickú sieť aj financie užívateľa. Moderné budovy, najmä administratívne, majú veľmi často stavebnú formu „sklenených palácov“, čo znamená, že bez mohutnej klimatizačnej strojovne by boli v letných mesiacoch v podstate neobývateľné. Preto je výhodné využiť na výrobu chladu priamo lacné teplo – či už solárne, odpadové, alebo iné (ak je k dispozícii).

Na výrobu chladu priamo z tepla možno okrem iných všeobecne známych, ale pomerne komplikovaných absorbčných chladiacich/klimatizačných zariadení použiť aj veľmi zaujímavé a znovu moderné ejektorové chladiace zariadenia kombinované s Fresnelovými solárnymi panelmi. Ejektorové chladiace zariadenia sú jednoduché, spoľahlivé a lacné – a najmä bez drahých pohyblivých mechanických častí, ako sú kompresory. Sú vynikajúcou alternatívou na výrobu klimatizačného chladu všade tam, kde je relatívne dostatok miesta a tepla (stačí teplo s nízkou teplotou), čo je prípad väčšiny striech.

V kombinácii s Fresnelovými solárnymi kolektormi, ktoré predstavujú jednoduchý a lacný spôsob na koncentráciu slnečného žiarenia (bez potreby drahých parabolických koncentrických kolektorov), tak dostávame lacný a prevádzkovo spoľahlivý klimatizačný systém, ktorý dokáže počas mesiacov s vysokým slnečným žiarením pokryť celú alebo podstatnú časť potreby klimatizačného chladu v budovách.

Opis systému

Predmetné zariadenie pozostáva z týchto dvoch hlavných častí:

• Fresnelove slnečné kolektory – zdroj tepla,
• ejektorový chladiaci systém, ktorý vyrába chlad z tepla.

Základom Fresnelových kolektorov sú vyleštené rovinné plechy s jednoduchým osovým natáčaním v horizontále (riadiaci systém nie je zložitý), ktoré odrážajú slnečné žiarenie na absorbér. Absorbér je sklenená alebo iná priehľadná rúra pod odrazovou strieškou (obr. 1). Ejektorový chladiaci systém pozostáva predovšetkým zo sústavy troch doskových tepelných výmenníkov, jediným náročnejším komponentom je dýza (ejektor), v ktorej sa vytvára podtlak Venturiho efektom. Podtlak v dýze je schopný vysávať pracovnú látku z výparníka a vytvára tak tlakový rozdiel, aký vytvára v klasických chladiacich strojoch kompresor.

Ejektory ako technické zariadenia nie sú novinka, sú známe viac ako poldruha storočia a pred nástupom kompresorového chladenia sa hojne využívali v chladiacej technike i v parných strojoch ako čerpadlá. Majú nižší chladiaci faktor (účinnosť) ako kompresorové chladiace systémy, ale majú obrovskú výhodu v tom, že hlavnou pohonnou energiou je teplo, nie elektrická energia. Dôležité je aj to, že prehrievacie teploty v generátore pary nemusia byť veľmi vysoké, pri vhodných chladivách v obehu postačujú teploty vyššie ako 70 °C.

Obr. 1 Fresnelov solárny kolektor
Termoabsorbér je priehľadná sklenená rúra v strieške hore. Pri dobrých radiačných podmienkach možno dosiahnuť teplotu až 230 °C, na prevádzku systému však postačujú omnoho nižšie teploty.

Aplikácie

Práve budovy predstavujú pri tomto druhu chladiacej a klimatizačnej techniky vhodnú aplikačnú oblasť. Strechy budov poskytujú spravidla dostatok priestoru na inštaláciu Fresnelových slnečných kolektorov, ktoré pomerne jednoducho zachytávajú a koncentrujú dopadajúce slnečné žiarenie. Riadiaci systém natáčania panelov podľa polohy slnka je jednoduchý, keďže ide o jednoduché otáčanie rovinných plôch (lesklý plech) okolo jednej horizontálnej osi. Veľkou prevádzkovou výhodou plochých otáčavých kolektorov je možnosť servisného sklopenia do rovinnej polohy v prípade búrok a čistiacich prác.

Samotný ejektorový chladiaci stroj je skladačka komponentov, ako sú doskové výmenníky tepla, obehové čerpadlo, škrtiaci ventil a samotný ejektor, čo je vhodne usporiadaná dýza. V podstate ide teda o skladačku známych komponentov. Jediný technologicky náročnejší komponent je práve ejektor, aj ten však možno vyrobiť na štandardných obrábacích strojoch. Výpočet ejektorov nepatrí k bežným znalostiam tepelných a chladiarenských inžinierov, na realizáciu tohto systému je preto vhodné mať k dispozícii sériu vypočítaných a prípadne aj vyrobených ejektorov, ktoré sa budú dať vhodne nasadiť v rámci typických prípadov vyskytujúcich sa v praxi. Premenné parametre, podľa ktorých sa ejektory navrhujú, sú teploty, tlaky, prietoky a rýchlosti pracovných látok, požadované chladiace výkony a s tým súvisiace potrebné tepelné príkony.

Obr. 2 Schéma ejektorového solárneho chladiaceho systému.
Pary prúdiacej pracovnej látky (napr. voda alebo iné chladivo) vytvárajú v ejektore podtlak v bočnej vetve z výparníka, v ktorom dochádza k chladiacemu efektu. Prúdenie pracovnej látky zabezpečuje čerpadlo, ohrev Fresnelove kolektory.

Výhody a nevýhody

Výhodou je, že predmetný systém možno v budovách nadimenzovať vždy na konkrétny objekt, pričom potrebné teplo možno pomerne ľahko akumulovať aj na nočnú prevádzku alebo prípad nižšej slnečnej intenzity. Systém je jednoduchý, spoľahlivý, so zanedbateľnými prevádzkovými nákladmi a potenciálne platí, že by mal byť aj investične nie príliš náročný. Fresnelov solárny systém dokáže dosiahnuť teplotu ohrievanej látky až 230 °C a možno ho využiť najmä v prechodnom období aj na vykurovacie účely alebo na ohrev vody.

Na druhej strane je zrejmé, že takýto systém je nový, resp. znovuobjavený, takže chladiarenské alebo klimatizačné firmy nemajú skúsenosti s nasadzovaním podobných systémov, a teda pri komerčnom nasadení zatiaľ chýbajú prevádzkové skúsenosti. Je tiež zrejmé, že systém je vhodný na klimatizačné aplikácie tam, kde je dostatok lacného tepla alebo dostatok priestoru na jeho získanie – napríklad na strechách cez Fresnelove kolektory. Systém nie je univerzálnou náhradou klasického kompresorového chladenia.

Záver

Ejektorové chladenie v kombinácii s Fresnelovými solárnymi kolektormi, prípadne s inými zdrojmi lacného tepla predstavuje zaujímavú možnosť ekologickej a aj efektívnej výroby klimatizačného chladu z tepla. Téme sa venuje tím v Ústave energetických strojov a zariadení na Strojníckej fakulte STU.

doc. Ing. Michal Masaryk, PhD., Ing. Peter Mlynár, PhD.
Autori pôsobia v Ústave energetických strojov a zariadení Strojníckej fakulty STU v Bratislave.

Obrázky: autori

Literatúra

1. PETRÁŠ, D. a kol: Vykurovanie veľkopriestorových objektov a hál. . Bratislava: JAGA Group, 2007. 
2. STRAKOVÁ, Z.: The Creation of Indoor Climate in Industry Operation. In Modern Environmental Science and Engineering. ISSN 2333-2581, 2015, vol. 1, issue 2, p. 104 – 110.
3. FERSTL, K. – MASARYK, M.: Prenos tepla. Vydavateľstvo STU, 2011.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 3/2018.