Solare Klimatisierung bezieht sich auf jedes Klimatisierungssystem (Kühlungssystem), das Solarenergie verwendet.

Dies kann durch passive Solar-, Solarthermie-Umwandlung und photovoltaische Umwandlung (Sonnenlicht zu Elektrizität) erfolgen. Das US-Gesetz zur Unabhängigkeit und Sicherheit im Energiesektor von 2007 schuf 2008 bis 2012 Mittel für ein neues Forschungs- und Entwicklungsprogramm für die solare Klimatisierung, das mehrere neue technologische Innovationen und Massenproduktionsvorteile entwickeln und demonstrieren sollte. Die solare Klimatisierung könnte bei der Planung von Nullenergie- und Energieplus-Gebäuden eine zunehmende Rolle spielen.

Geschichte
Im späten 19. Jahrhundert war die am häufigsten verwendete Flüssigkeit für die Absorptionskühlung eine Lösung aus Ammoniak und Wasser. Heute ist die Kombination von Lithiumbromid und Wasser ebenfalls gebräuchlich. Ein Ende des Systems der Expansions- / Kondensationsrohre wird erhitzt, und das andere Ende wird kalt genug, um Eis zu machen. Ursprünglich wurde Erdgas Ende des 19. Jahrhunderts als Wärmequelle genutzt. Heute wird Propan in Absorptionskühlschränken für Freizeitfahrzeuge verwendet. Warmwasser-Solarthermie-Kollektoren können auch als moderne „Free Energy“ Wärmequelle genutzt werden. Ein von der NASA (National Aeronautics and Space Administration) gesponserter Bericht aus dem Jahr 1976 befasste sich mit der Anwendung von Klimaanlagen in Solaranlagen. Die diskutierten Techniken beinhalteten sowohl solarbetriebene (Absorptionskreislauf und Wärmekraftmaschine / Rankine-Zyklus) als auch solarbezogene (Wärmepumpe) zusammen mit einer umfangreichen Bibliographie verwandter Literatur.

Photovoltaik (PV) solare Kühlung
Die Photovoltaik kann die Energie für jede Art von elektrisch betriebener Kühlung bereitstellen, sei es konventionell auf Kompressorbasis oder adsorptions- / absorptionsbasiert, obwohl die gebräuchlichste Implementierung bei Kompressoren ist. Für kleine private und kleine kommerzielle Kühlung (weniger als 5 MWh / a) ist PV-betriebene Kühlung die am häufigsten eingesetzte Solarkühltechnologie. Der Grund dafür ist umstritten, aber häufig werden Gründe wie Anreizstrukturierung, Mangel an Haushaltsgeräten für andere Solarkühltechnologien, das Aufkommen von effizienteren elektrischen Kühlern oder die Leichtigkeit der Installation im Vergleich zu anderen solaren Kühltechnologien (wie Radiant) angeführt Kühlung).

Da die Kosteneffizienz der PV-Kühlung in hohem Maße von den Kühlanlagen abhängt und angesichts der geringen Effizienz bei elektrischen Kühlverfahren bis vor kurzem keine Kosteneinsparungen ohne Subventionen möglich waren. Durch effizientere elektrische Kühlmethoden und längere Amortisierungszeiten wird dieses Szenario geändert.

Zum Beispiel benötigt eine 100.000 US-amerikanische US-Energy-Star-Anlage mit einem hohen jahreszeitbedingten Energiewirkungsgrad (SEER) von 14 kW etwa 7 kW Strom für volle Kühlleistung an einem heißen Tag. Dies würde über ein 20 kW Solar-Photovoltaik-Stromerzeugungssystem mit Speicher erfordern.

Eine Photovoltaik-Anlage mit 7 kW Solarstrom wird wahrscheinlich einen installierten Preis von weit über 20.000 US-Dollar haben (die Preise für PV-Anlagen fallen derzeit um etwa 17% pro Jahr). Kosten für Infrastruktur, Verkabelung, Montage und NEC-Code können zusätzliche Kosten verursachen. zum Beispiel hat ein 3120-Watt-Solar-Panel-Gitter-Krawattensystem einen Panel-Preis von 0,99 $ / Watt Peak, kostet aber immer noch ~ 2,2 $ / Wattstunden Peak. Andere Systeme mit unterschiedlicher Kapazität kosten noch mehr, geschweige denn Batterie-Backup-Systeme, die noch mehr kosten.

Ein effizienteres Klimaanlagensystem würde eine kleinere, weniger teure Photovoltaikanlage erfordern. Eine hochwertige geothermische Wärmepumpenanlage kann einen SEER im Bereich von 20 (±) haben. Eine SEER 20-Klimaanlage mit 100.000 BTU würde während des Betriebs weniger als 5 kW benötigen.

Neuere und niedrigere Energietechnologien, einschließlich Inverter-DC-Wärmepumpen, können SEER-Werte von bis zu 26 erreichen.

Es gibt neue, nicht auf Kompressoren basierende elektrische Klimaanlagen mit einem SEER über 20, die auf den Markt kommen. Neue Versionen von indirekten Verdampfungskühlern mit Phasenumwandlung verwenden nur einen Ventilator und eine Wasserversorgung, um Gebäude zu kühlen, ohne zusätzliche innere Feuchtigkeit hinzuzufügen (wie im McCarran Airport Las Vegas Nevada). In trockenen, trockenen Klimazonen mit einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 45% (etwa 40% der kontinentalen USA) können indirekte Verdunstungskühler einen SEER über 20 und bis zu SEER 40 erreichen. Ein indirekter Verdunstungskühler mit 100.000 BTU würde nur genügend photovoltaische Energie für die Zirkulation benötigen Ventilator (plus eine Wasserversorgung).

Eine weniger teure Photovoltaikanlage mit Teilstrom kann die monatliche Menge an Strom, die aus dem Stromnetz für die Klimatisierung (und andere Nutzungen) bezogen wird, reduzieren (aber nicht eliminieren). Mit amerikanischen Subventionen von 2,50 bis 5,00 US-Dollar pro Watt können die amortisierten Kosten für PV-Strom unter 0,15 US-Dollar pro kWh liegen. Dies ist derzeit in einigen Bereichen kosteneffektiv, in denen der Strom von Stromunternehmen jetzt 0,15 $ oder mehr beträgt. Überschüssige PV-Energie, die erzeugt wird, wenn eine Klimaanlage nicht benötigt wird, kann an vielen Orten an das Stromnetz verkauft werden, was den jährlichen Netto-Strombezugsbedarf reduzieren (oder eliminieren) kann. (Siehe Null-Energie-Gebäude)

Überlegene Energieeffizienz kann in neue Konstruktionen (oder nachgerüstete Gebäude) integriert werden. Seit das US-Energieministerium im Jahr 1977 gegründet wurde, hat sein Programm zur Unterstützung der Wetterbedingungen die Heiz- und Kühllast für 5,5 Millionen einkommensschwache Haushalte um durchschnittlich 31% reduziert. Einhundert Millionen amerikanischer Gebäude benötigen noch eine verbesserte Bewitterung. Unvorsichtige konventionelle Bauweisen produzieren immer noch ineffiziente neue Gebäude, die bei ihrer ersten Nutzung bewittert werden müssen.

Es ist ziemlich einfach, den Heiz- und Kühlbedarf für Neubauten um die Hälfte zu reduzieren. Dies kann oft ohne zusätzliche Nettokosten geschehen, da Kosteneinsparungen für kleinere Klimaanlagen und andere Vorteile entstehen.

Geothermische Kühlung
Erde schützende oder Erdungskühlungsrohre können die Umgebungstemperatur der Erde ausnutzen, um herkömmliche Klimatisierungsanforderungen zu reduzieren oder zu beseitigen. In vielen Klimazonen, in denen die Mehrheit der Menschen lebt, können sie den Aufbau von unerwünschter Sommerhitze stark reduzieren und dazu beitragen, Wärme aus dem Inneren des Gebäudes zu entfernen. Sie erhöhen die Konstruktionskosten, reduzieren oder eliminieren jedoch die Kosten herkömmlicher Klimaanlagen.

Erdungskühlungsrohre sind in heißen feuchten tropischen Umgebungen, in denen die Umgebungstemperatur der Erdtemperatur der menschlichen Komfortzone entspricht, nicht kosteneffektiv. Ein Sonnenkamin oder ein photovoltaisch betriebener Ventilator kann verwendet werden, um unerwünschte Wärme abzuführen und kühle, entfeuchtete Luft anzusaugen, die durch die umgebenden Erdtemperaturoberflächen hindurchgegangen ist. Kontrolle von Feuchtigkeit und Kondensation sind wichtige Designprobleme.

Eine Erdwärmepumpe nutzt die Umgebungstemperatur der Erde, um SEER für Wärme und Kälte zu verbessern. Ein tiefer Brunnen rezirkuliert Wasser, um die Umgebungstemperatur der Erde zu extrahieren (typischerweise bei 2 Gallonen Wasser pro Tonne pro Minute). Diese Systeme mit „offenem Regelkreis“ waren in frühen Systemen am gebräuchlichsten, jedoch konnte die Wasserqualität die Spulen in der Wärmepumpe beschädigen und die Lebensdauer des Geräts verkürzen. Ein anderes Verfahren ist ein System mit geschlossener Schleife, bei dem eine Rohrschleife in einem Brunnen oder in Brunnen oder in Gräben im Rasen heruntergefahren wird, um ein Zwischenfluid zu kühlen. Wenn Brunnen verwendet werden, werden sie mit Bentonit oder einem anderen Mörtelmaterial gefüllt, um eine gute Wärmeleitfähigkeit für die Erde sicherzustellen.

In der Vergangenheit war die Flüssigkeit der Wahl eine 50/50-Mischung von Propylenglykol, weil sie im Gegensatz zu Ethylenglykol (das in Autokühler verwendet wird) ungiftig ist. Propylenglycol ist viskos und würde eventuell einige Teile in der Schleife (n) verkleben, so dass es in Ungnade gefallen ist. Heutzutage ist das gebräuchlichste Transfermittel eine Mischung aus Wasser und Ethylalkohol (Ethanol).

Die Umgebungstemperatur ist viel niedriger als die Sommertemperatur und viel höher als die niedrigste Wintertemperatur. Wasser ist 25-mal wärmeleitfähiger als Luft und damit wesentlich effizienter als eine Außenluft-Wärmepumpe (die im Winter mit fallender Außentemperatur weniger effektiv wird).

Die gleiche Art von geothermischen Quellen kann ohne Wärmepumpe verwendet werden, jedoch mit stark verminderten Ergebnissen. Umgebendes Erdtemperaturwasser wird durch einen umhüllten Heizkörper (wie ein Automobilheizkörper) gepumpt. Über den Kühler wird Luft geblasen, die ohne Kompressor-basierte Klimaanlage abkühlt. Photovoltaik-Solarpanels produzieren Strom für die Wasserpumpe und den Ventilator und eliminieren herkömmliche Klimaanlagenrechnungen. Dieses Konzept ist kostengünstig, solange der Standort die Erdungstemperatur unterhalb der menschlichen thermischen Komfortzone (nicht in den Tropen) hat.

Solar-Open-Loop-Klimaanlage mit Trockenmittel
Luft kann über übliche, feste Trockenmittel (wie Silicagel oder Zeolith) oder flüssige Trockenmittel (wie Lithiumbromid / -chlorid) geleitet werden, um Feuchtigkeit aus der Luft zu ziehen, um einen effizienten mechanischen oder Verdampfungskühlzyklus zu ermöglichen. Das Trocknungsmittel wird dann unter Verwendung von Solarthermie regeneriert, um in einem kosteneffektiven, sich kontinuierlich wiederholenden Zyklus mit niedrigem Energieverbrauch zu entfeuchten. Eine Photovoltaikanlage kann einen Niederdruckluftzirkulationsventilator antreiben und einen Motor, um eine mit Trockenmittel gefüllte große Scheibe langsam zu drehen.

Lüftungssysteme für die Energierückgewinnung bieten eine kontrollierte Art der Belüftung eines Hauses und minimieren gleichzeitig den Energieverlust. Die Luft wird durch ein „Enthalpierad“ (oft mit Silikagel) geleitet, um die Kosten für die Beheizung der belüfteten Luft im Winter zu reduzieren, indem Wärme von der warmen Innenluft an die frische (aber kalte) Zuluft übertragen wird. Im Sommer kühlt die Innenluft die wärmere Zuluft, um die Kühlkosten zu reduzieren. Dieses energiesparende Ventilator-Motor-Belüftungssystem kann durch Photovoltaik mit einer erhöhten natürlichen Konvektionsleistung, die einen Sonnenkamin ausstößt, kostengünstig betrieben werden – der nach unten einströmende Luftstrom wäre eine erzwungene Konvektion (Advektion).

Ein Trockenmittel wie Kalziumchlorid kann mit Wasser gemischt werden, um einen attraktiven Wasserfall zu erzeugen, der einen Raum mit Solarthermie entfeuchtet, um die Flüssigkeit zu regenerieren, und eine PV-betriebene Niedrigwasserpumpe.

Aktive Solarkühlung, wobei thermische Sonnenkollektoren Eingangsenergie für ein Trocknungskühlsystem bereitstellen. Es gibt mehrere im Handel erhältliche Systeme, die Luft sowohl für den Entfeuchtungs- als auch für den Regenerationszyklus durch ein mit Trockenmittel imprägniertes Medium blasen. Die Sonnenwärme ist eine Art, wie der Regenerationszyklus betrieben wird. In der Theorie können gepackte Türme verwendet werden, um einen Gegenstromfluss der Luft und des flüssigen Trockenmittels zu bilden, werden aber normalerweise nicht in kommerziell erhältlichen Maschinen verwendet. Das Vorwärmen der Luft verbessert nachweislich die Regeneration des Trockenmittels. Die gepackte Säule liefert gute Ergebnisse als Entfeuchter / Regenerator, vorausgesetzt, der Druckabfall kann durch die Verwendung einer geeigneten Packung verringert werden.

Passive solare Kühlung
Bei dieser Art der Kühlung wird die Solarthermie nicht direkt genutzt, um eine kalte Umgebung zu schaffen oder direkte Kühlprozesse anzutreiben. Stattdessen zielt das solare Gebäudedesign darauf ab, die Rate der Wärmeübertragung in ein Gebäude im Sommer zu verlangsamen und die Entfernung unerwünschter Wärme zu verbessern. Es beinhaltet ein gutes Verständnis der Mechanismen der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, konvektive Wärmeübertragung und Wärmestrahlung, letztere hauptsächlich von der Sonne.

Zum Beispiel ist ein Zeichen von schlechtem thermischem Design ein Dachboden, der im Sommer heißer wird als der Spitzenwert der Außentemperatur. Mit einem kühlen Dach oder einem begrünten Dach, das die Dachoberflächentemperatur im Sommer um 70 ° F (40 ° C) senken kann, kann dies deutlich reduziert oder eliminiert werden. Eine Strahlungsbarriere und ein Luftspalt unter dem Dach werden etwa 97% der nach unten gerichteten Strahlung von sonnenbeschienen Dachverkleidungen blockieren.

Passive solare Kühlung ist im Neubau viel einfacher zu erreichen als durch Anpassung bestehender Gebäude. Bei der passiven solaren Kühlung gibt es viele Konstruktionsmerkmale. Es ist ein primäres Element der Gestaltung eines Null-Energie-Gebäudes in einem heißen Klima.

Solare Absorptionskühlung mit geschlossenem Regelkreis
Im Folgenden werden gebräuchliche Technologien für die solarthermische Regelung mit geschlossenen Kreisläufen verwendet.

Absorption: NH _{3 / H 2 O oder Ammoniak / Wasser
Absorption: Wasser / Lithiumbromid
Absorption: Wasser / Lithiumchlorid
Adsorption: Wasser / Silica Gel oder Wasser / Zeolith
Adsorption: Methanol / Aktivkohle}

Die aktive solare Kühlung nutzt Solarthermie-Kollektoren, um thermisch angetriebene Kaltwassersätze (in der Regel Adsorptions- oder Absorptionskühler) mit Solarenergie zu versorgen. Die Solarenergie erwärmt eine Flüssigkeit, die den Generator einer Absorptionskältemaschine mit Wärme versorgt und in die Kollektoren zurückgeführt wird. Die dem Generator zugeführte Wärme treibt einen Kühlzyklus an, der gekühltes Wasser erzeugt. Das erzeugte Kühlwasser wird für große kommerzielle und industrielle Kühlung verwendet.

Solarthermie kann im Sommer zur effizienten Kühlung genutzt werden und im Winter auch Warmwasser und Gebäude heizen. Ein-, zwei- oder dreifache iterative Absorptionskühlzyklen werden in verschiedenen solarthermischen Kühlsystem-Designs verwendet. Je mehr Zyklen, desto effizienter sind sie. Absorptionskältemaschinen arbeiten mit weniger Lärm und Vibrationen als kompressorbasierte Kältemaschinen, aber ihre Kapitalkosten sind relativ hoch.

Effiziente Absorptionskältemaschinen erfordern nominal Wasser von mindestens 88 ° C (190 ° F). Herkömmliche, preiswerte Flachkollektoren mit Solarthermie erzeugen nur etwa 71 ° C warmes Wasser. Hochtemperatur-Flachplatten-, Konzentrations- (CSP) oder Vakuumröhrenkollektoren sind erforderlich, um die benötigten Übertragungsflüssigkeiten mit höherer Temperatur zu erzeugen. In Großanlagen gibt es weltweit mehrere technisch und wirtschaftlich erfolgreiche Projekte, so zum Beispiel in der Zentrale der Caixa Geral de Depósitos in Lissabon mit 1.579 Quadratmetern Sonnenkollektoren und 545 kW Kühlleistung oder auf der Olympisches Segeldorf in Qingdao / China. Im Jahr 2011 wird die leistungsstärkste Anlage des neu gebauten United World College in Singapur in Betrieb genommen (1500 kW).

Diese Projekte haben gezeigt, dass Flachkollektoren, die speziell für Temperaturen über 200 ° F (93 ° C) entwickelt wurden (mit Doppelverglasung, erhöhter Rückseitenisolierung usw.), effektiv und kosteneffizient sein können. Wo Wasser gut über 88 ° C erhitzt werden kann, kann es gelagert und verwendet werden, wenn die Sonne nicht scheint.

Das Audubon Environmental Center im Regionalpark Ernest E. Debs in Los Angeles hat eine beispielhafte Solarklimatisierungsanlage, die kurz nach der Inbetriebnahme versagte und nicht mehr gewartet wird. Die Southern California Gas Co. (The Gas Company) testet auch die Anwendbarkeit von solarthermischen Kühlsystemen in ihrem Energy Resource Center (ERC) in Downey, Kalifornien. Sonnenkollektoren von Sopogy und Cogenra wurden auf dem Dach des ERC installiert und produzieren Kühlung für die Klimaanlage des Gebäudes. Masdar City testet in den Vereinigten Arabischen Emiraten eine Doppeleffekt-Absorptionskältemaschine mit Sopogy-Parabolrinnenkollektoren, Mirroxx-Fresnel-Array und TVP Solar-Hochvakuum-Solarkollektoren.

Seit 150 Jahren werden Absorptionskältemaschinen verwendet, um Eis herzustellen (bevor die Glühbirnen erfunden wurden). Dieses Eis kann gespeichert und als „Eisbatterie“ zum Kühlen verwendet werden, wenn die Sonne nicht scheint, wie es 1995 im Hotel New Otani Tokyo in Japan der Fall war. Mathematische Modelle sind im öffentlichen Bereich für Eis-basierte thermische Energiespeicherleistungsberechnungen verfügbar.

Der ISAAC Solar Icemaker ist ein intermittierender Ammoniak-Wasser-Absorptionszyklus. Der ISAAC verwendet einen Parabolrinnen-Solarkollektor und ein kompaktes und effizientes Design, um Eis ohne Kraftstoff oder elektrischen Input und ohne bewegliche Teile zu produzieren.

Anbieter von solaren Kühlsystemen sind ChillSolar, SOLID, Sopogy, Cogenra, Mirroxx und TVP Solar für kommerzielle Installationen und ClimateWell, Fagor-Rotartica, SorTech und Daikin hauptsächlich für Wohnanlagen. Cogenra nutzt Solarenergie zur Erzeugung von sowohl thermischer als auch elektrischer Energie, die zur Kühlung genutzt werden kann.

Solare Kühlsysteme mit konzentrierenden Kollektoren
Die Hauptgründe für den Einsatz konzentrierender Kollektoren in solaren Kühlsystemen sind: hocheffiziente Klimatisierung durch Kopplung mit Doppel- / Dreifach-Kühlern; und Sonnenkühlung für industrielle Endverbraucher, möglicherweise in Kombination mit Prozesswärme und Dampf.

In Bezug auf industrielle Anwendungen haben mehrere Studien in den letzten Jahren gezeigt, dass in verschiedenen Gebieten der Erde (z. B. im Mittelmeerraum, Mittelamerika) ein hohes Kältepotenzial (Temperaturen unter 0 ° C) besteht. Dies kann jedoch durch Ammoniak / Wasser-Absorptionskühler erreicht werden, die eine hohe Wärmezufuhr am Generator in einem Bereich (120 ° C bis 180 ° C) erfordern, die nur durch Konzentrieren von Solarkollektoren befriedigt werden kann. Darüber hinaus erfordern mehrere industrielle Anwendungen sowohl Kühlung als auch Dampf für Prozesse, und konzentrierende Solarkollektoren können in dem Sinne sehr vorteilhaft sein, dass ihre Verwendung maximiert wird

Null-Energie-Gebäude
Ziele von Nullenergiehäusern sind nachhaltige, umweltfreundliche Gebäudetechnologien, die die jährlichen Netto-Energiekosten erheblich reduzieren oder eliminieren können. Die größte Errungenschaft ist das vollständig netzunabhängige autonome Gebäude, das nicht an Versorgungsunternehmen angeschlossen werden muss. In heißen Klimazonen mit signifikantem Grad an Kühlungsbedarf wird die fortschrittliche Solarklimatisierung ein zunehmend wichtiger kritischer Erfolgsfaktor sein.