솔라 에어컨이란 태양열을 이용하는 모든 냉방 (냉방) 시스템을 말합니다.
이것은 패시브 태양열, 태양열 에너지 변환 및 광전지 변환 (햇빛에서 전기)을 통해 이루어질 수 있습니다. 2007 년 미국 에너지 독립 및 보안법 (Energy Independence and Security Act of 2007)은 새로운 태양열 컨디셔닝 연구 및 개발 프로그램에 대한 2008 년부터 2012 년까지의 기금을 개발하여 여러 가지 새로운 기술 혁신과 대량 생산 경제를 개발하고 입증해야합니다. 태양 광 에어컨은 제로 에너지 및 에너지 플러스 건물 설계에서 점점 더 많은 역할을 수행 할 수 있습니다.
역사
19 세기 후반에 가장 일반적인 흡수 냉각 유체는 암모니아와 물의 용액이었습니다. 오늘날, 브롬화 리튬과 물의 조합도 일반적으로 사용됩니다. 팽창 / 응축 파이프 시스템의 한쪽 끝은 가열되고 다른 끝은 얼음을 만들기에 충분히 차갑습니다. 원래 천연 가스는 19 세기 후반 열원으로 사용되었습니다. 오늘날 프로판은 레크리에이션 차량 흡수 냉각기 냉장고에 사용됩니다. 온수 태양열 집열기는 현대의 “자유 에너지”열원으로도 사용될 수 있습니다. NASA (National Aeronautics and Space Administration)는 1976 년 태양 광 에너지 시스템 적용을 조사한 보고서를 후원했습니다. 토론 된 기술은 관련 문헌의 광범위한 참고 문헌과 함께 태양열로 구동되는 (흡수 사이클과 열 엔진 / 랭킨 사이클) 태양 관련 (열 펌프)을 모두 포함합니다.
광전지 (태양 광) 태양열 냉각
Photovoltaics는 가장 일반적인 구현이 압축기를 사용하지만 기존의 압축기 기반 또는 흡착 / 흡수 기반의 모든 유형의 전기적으로 구동되는 냉각을위한 동력을 제공 할 수 있습니다. 소규모 주거 및 소규모 상업용 냉각 (5 MWh / a 미만)의 경우 PV 동력 냉각은 태양열 냉각 기술 중 가장 자주 구현되었습니다. 그 이유는 논쟁의 여지가 있지만 일반적으로 제안 된 이유는 인센티브 구조, 다른 태양열 냉각 기술에 대한 주거용 크기의 장비 부족,보다 효율적인 전기 냉각기의 출현 또는 다른 태양열 냉각 기술 (예 : 복사열 냉각).
PV 냉각의 비용 효율성은 냉각 설비에 크게 좌우되기 때문에 전기 냉각 방법의 효율성이 떨어지면 보조금 없이는 비용 효율적이지 않습니다. 더 효율적인 전기 냉각 방법을 사용하고 더 긴 투자 회수 계획을 허용하는 것은 그 시나리오를 변화시키고 있습니다.
예를 들어, 계절에 따른 에너지 효율 비율 (SEER)이 14 인 ‘100,000 BTU 미국 에너지 스타'[참고 1] 에어컨은 더운 날에 완전 냉각 출력을 위해 약 7kW의 전력이 필요합니다. 이것은 저장 장치가있는 20 kW 태양 광 발전 시스템을 필요로합니다.
태양 추적 7kW 광전지 시스템의 설치 가격은 $ 20,000 USD를 넘을 것입니다 (PV 장비 가격은 현재 연간 약 17 % 하락합니다). 인프라, 배선, 설치 및 NEC 코드 비용은 추가 비용이 추가 될 수 있습니다. 예를 들어 3120 와트의 솔라 패널 그리드 타이 시스템은 패널 가격이 와트 피크 인 경우 0.99 달러이지만 여전히 와트 피크 당 2.2 달러입니다. 용량이 다른 다른 시스템은 배터리 백업 시스템을 제외하고는 훨씬 더 비쌉니다.
보다 효율적인 에어컨 시스템은보다 작고 저렴한 태양 광 시스템을 필요로합니다. 고품질의 지열 히트 펌프 설치시 SEER는 20 (±) 범위입니다. 100,000 BTU SEER 20 에어 컨디셔너는 작동하는 동안 5kW 미만을 필요로합니다.
역방향 인버터 DC 히트 펌프를 포함한 최신 및 저전력 기술은 SEER 등급을 최대 26 개까지 달성 할 수 있습니다.
시판되고있는 SEER가 20 이상인 새로운 비 압축기 기반 전기 공조 시스템이 있습니다. 상 변화 형 간접 증발 식 쿨러의 새로운 버전은 별도의 내부 습도 (예 : McCarran Airport Las Vegas Nevada)를 추가하지 않고 건물을 식히기 위해 팬과 물 공급 만 사용합니다. 상대 습도가 45 % (미국 대륙의 약 40 %) 이하인 건조하고 건조한 기후에서 간접 증발 냉각기는 20 또는 SEER 40 이상의 SEER를 달성 할 수 있습니다. 100,000 BTU의 간접 증발 냉각기는 순환에 필요한 태양 광 전력만으로 충분합니다 팬 (플러스 급수).
덜 비싼 부분 전력 태양 광 시스템은 에어컨 (및 기타 용도)에 대한 전력 그리드에서 구입 한 전기의 월간 금액을 줄이거 나 줄일 수 있습니다. 미국의 주정부 보조금은 광 발전 당 2.50 달러에서 5.00 달러로, 태양 광 발전 전기의 상각 된 비용은 kWh 당 0.15 달러 이하가 될 수 있습니다. 현재 전력 회사 전력이 0.15 달러 이상인 일부 지역에서는 현재 비용 효율적입니다. 에어컨이 필요하지 않을 때 발생하는 과도한 PV 전력은 많은 지역의 전력망에 판매 될 수 있으며, 이는 연간 순 전력 구매 요구 사항을 줄이거 나 없앨 수 있습니다. (제로 에너지 빌딩 참조)
탁월한 에너지 효율은 새로운 건축물로 설계 될 수 있습니다 (또는 기존 건물에 개조 됨). 미 에너지 부는 1977 년에 창설되었으므로 Weatherization Assistance Program을 통해 저소득층 가정의 난방 및 냉방 부하를 평균 31 % 줄였습니다. 1 억명의 미국 건물은 여전히 향상된 내후성이 필요합니다. 부주의 한 재래식 건설 관행은 처음 점령되었을 때 내후성을 필요로하는 비효율적 인 신축 건물을 여전히 생산하고 있습니다.
신축 공사의 난방 및 냉방 요건을 절반으로 줄이는 것은 매우 간단합니다. 더 작은 공기 조화 시스템 및 다른 이득을 위해 비용 절감이 있기 때문에 이것은 종종 추가 순 비용없이 수행 될 수 있습니다.
지열 냉각
지구 보호 시설 또는 지구 냉각 튜브는 지구의 대기 온도를 이용하여 기존의 공기 조절 요구 사항을 줄이거 나 없앨 수 있습니다. 대부분의 인간이 살고있는 많은 기후에서는 바람직하지 않은 여름 더위의 축적을 크게 줄일 수 있으며 건물 내부의 열을 제거하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 그것들은 건설 비용을 증가 시키지만, 기존의 공기 조절 장비의 비용을 줄이거 나 없애줍니다.
지구 냉각 튜브는 주위의 지구 온도가 인간의 온도 안락 지역에 접근하는 고온의 습한 열대 환경에서 비용 효과적이지 않습니다. 태양 광 굴뚝 또는 태양 광 발전 팬은 원하지 않는 열을 배출하고 주위의 지구 온도 표면을 통과 한 더 차갑고 제습 된 공기를 끌어들이는 데 사용될 수 있습니다. 습도 및 결로 제어는 중요한 설계 문제입니다.
지열 히트 펌프는 열 및 냉각을 위해 SEER를 개선하기 위해 주변 지구 온도를 사용합니다. 깊은 우물은 주위의 지구 온도를 추출하기 위해 물을 재순환시킵니다 (일반적으로 1 분당 톤당 2 갤런의 물에서). 이러한 “개방 루프”시스템은 초기 시스템에서 가장 일반적 이었지만 수질은 열 펌프의 코일에 손상을 줄 수 있으며 장비의 수명을 단축시킬 수 있습니다. 또 다른 방법은 중간 유체를 냉각시키기 위해 튜빙의 루프를 우물이나 우물 아래 또는 잔디밭의 트렌치로 흘려 보내는 폐쇄 루프 시스템입니다. 우물을 사용하면 베인 나이트 (Bentonite) 또는 다른 그라우트 재료로 다시 채워져 지구와의 열전도도를 양호하게 유지합니다.
과거에는 에틸렌 글리콜 (자동차 라디에이터에 사용되는)과 달리 독성이 없기 때문에 선택하는 유체는 프로필렌 글리콜의 50/50 혼합물이었습니다. 프로필렌 글리콜은 점성이 있으며, 결국 루프의 일부분을 껌으로 만들어 버릴 것이므로 부끄러워하지 않습니다. 오늘날, 가장 일반적인 전달 제는 물과 에틸 알콜 (에탄올)의 혼합물입니다.
주변 지구의 기온은 피크 여름 기온보다 훨씬 낮으며 극한의 겨울 기온보다 훨씬 높습니다. 물은 공기보다 25 배 더 열 전도성이 있으므로 외부 공기 열 펌프보다 훨씬 효율적입니다 (겨울에는 외부 온도가 낮아질수록 효과가 떨어짐).
같은 유형의 지열 우물은 히트 펌프없이 사용될 수 있지만 크게 감소 된 결과가 있습니다. 주변 지구 온도의 물은 가려진 라디에이터 (예 : 자동차 라디에이터)를 통해 펌핑됩니다. 공기는 압축기 기반의 에어컨없이 냉각되는 라디에이터를 통해 날아갑니다. 광전지 태양 전지판은 수도 펌프와 팬용 전기를 생산하여 기존의 공조 유틸리티 요금을 없앱니다. 이 개념은 지구의 온도가 인간 열 쾌적 구역 (열대 지방이 아닌) 아래에있는 한 비용 효율적입니다.
방습제를 사용한 태양 열 개폐식 에어컨
공기는 일반적인 기계적 또는 증발 냉각주기를 허용하기 위해 공기로부터 습기를 끌어 내기 위해 일반적인 건조제 (예 : 실리카겔 또는 제올라이트) 또는 액체 건조제 (예 : 브롬화 리튬 / 염화물)를 통과 할 수 있습니다. 건조제는 태양열 에너지를 사용하여 제습을 통해 비용 효율적이고 에너지 소비가 적으며 지속적으로 반복되는 사이클을 통해 재생됩니다. 광전지 시스템은 저에너지 공기 순환 팬과 모터로 건조제가 채워진 대형 디스크를 천천히 회전시킬 수 있습니다.
에너지 회수 환기 시스템은 에너지 손실을 최소화하면서 가정을 환기시키는 제어 된 방법을 제공합니다. 따뜻한 공기를 신선한 (그러나 추운) 공급 공기로 이동시켜 겨울철 통풍 공기를 가열하는 비용을 줄이기 위해 “엔탈피 휠”(종종 실리카겔 사용)을 통과합니다. 여름에는 내부 공기가 따뜻한 유입 공기를 냉각시켜 환기 냉각 비용을 줄입니다. 이 저에너지 팬 – 모터 통풍 시스템은 광전지에 의해 비용 효율적으로 구동 될 수 있으며, 태양 대 굴삭기의 향상된 자연 대류 배기로 하향 유입 공기 흐름이 강제 대류 (이류)됩니다.
염화칼슘과 같은 건조제는 물과 섞여서 매력적인 재순환 폭포를 만들고, 태양 열 에너지를 사용하여 액체를 재생하는 방을 제습하고 PV 구동 저율 워터 펌프를 만들 수 있습니다.
태양열 집열기가 흡착제 냉각 시스템에 입력 에너지를 제공하는 능동적 인 태양열 냉각. 제습 및 재생 사이클 모두를 위해 건조제 함침 매질을 통해 공기를 송풍하는 상업적으로 이용 가능한 시스템이 여러 가지있다. 태양열은 재생 사이클에 전력을 공급하는 한 가지 방법입니다. 이론 상으로는 포장 탑은 공기와 액체 건조제의 역류를 형성하는데 사용될 수 있지만 일반적으로 시중에서 판매되는 기계에는 사용되지 않습니다. 공기의 예열은 건조제 재생을 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다. 충전 된 컬럼은 적절한 패킹을 사용하여 압력 강하가 감소 될 수 있다면 제습기 / 재생기로서 좋은 결과를 산출합니다.
패시브 태양열 냉각
이러한 유형의 냉각에서 태양열 에너지는 직접적으로 추운 환경을 조성하거나 직접 냉각 과정을 유도하는 데 사용되지 않습니다. 대신, 태양 건물 디자인은 여름에 건물로 열 전달 속도를 늦추고 불필요한 열 제거를 개선하는 것을 목표로합니다. 그것은 열전달 메커니즘을 잘 이해하고 있습니다 : 열전도, 대류 열전달 및 열 방사, 주로 태양으로부터 오는 열 방사.
예를 들어, 열악한 열 설계의 징후는 외기 최고 기온보다 여름에 뜨거워지는 다락방입니다. 이는 시원한 지붕이나 녹색 지붕으로 인해 상당히 감소되거나 제거 될 수 있습니다.이 지붕은 여름에 지붕 표면 온도를 70 ° F (40 ° C)까지 낮출 수 있습니다. 복사 장벽과 지붕 밑의 공기 간격은 태양에 의해 가열되는 지붕 피복재에서 하향 복사의 약 97 %를 차단합니다.
패시브 태양열 냉각은 기존 건물을 적용하는 것보다 신규 건설에서 달성하기가 훨씬 쉽습니다. 패시브 태양열 냉각에는 많은 설계 사양이 있습니다. 더운 기후에서 제로 에너지 빌딩을 설계하는 주요 요소입니다.
태양 폐쇄 루프 흡수 냉각
다음은 태양 열 폐 루프 식 에어컨에 사용되는 일반적인 기술입니다.
흡수 : NH 3 / O
흡수 : 물 / 브롬화 수소
흡수 : 물 / 염화 리튬
흡착 : 물 / 실리카 겔 또는 물 / 제올라이트
흡착 : 메탄올 / 활성탄
적극적인 태양열 냉각은 태양열 집열기를 사용하여 열로 구동되는 냉각기 (일반적으로 흡착 또는 흡수 냉각기)에 태양 에너지를 제공합니다. 태양 에너지는 흡수식 냉각기의 발전기에 열을 제공하고 수집기로 재순환되는 유체를 가열합니다. 발전기에 제공되는 열은 냉수를 생산하는 냉각 사이클을 유도합니다. 생성 된 냉각수는 대규모 상업 및 산업 냉각에 사용됩니다.
태양열 에너지는 여름에 효율적으로 냉각하고 겨울철 가정용 온수 및 건물을 가열하는 데 사용할 수 있습니다. 단일, 이중 또는 삼중 반복 흡수 냉각 사이클은 다양한 태양열 냉각 시스템 설계에 사용됩니다. 사이클이 많을수록 더 효율적입니다. 흡수식 냉동기는 압축기 기반 냉동기보다 적은 소음 및 진동으로 작동하지만 자본 비용은 상대적으로 높습니다.
효율적인 흡수 냉각 장치는 명목상 최소 88 ° C (190 ° F)의 물이 필요합니다. 일반적으로 저렴한 플랫 플레이트 태양열 집열기는 약 160 ° F (71 ° C)의 물 만 생산합니다. 필요한 고온 이송 유체를 생산하려면 고온 평판, 농축 (CSP) 또는 진공관 집진기가 필요합니다. 대규모 설치의 경우 리스본의 Caixa Geral de Depósitos 본사와 1,579 평방 미터 (17,000 평방 피트)의 태양열 집열기, 545kW의 냉각 전력 또는 칭다오 올림픽 세일링 빌리지 / 중국. 2011 년 싱가포르 신축 된 유나이티드 월드 칼리지 (United World College)에서 가장 강력한 공장에 위탁 (1500kW) 할 것입니다.
이 프로젝트는 93 ° C (200 ° F) 이상의 온도에서 특별히 개발 된 평판 태양열 집열기 (이중 유약, 뒷면 단열재 등)가 효과적이고 비용 효율적 일 수 있음을 보여주었습니다. 190 ° F (88 ° C) 이상으로 물을 가열 할 수있는 곳에서는 태양이 비치지 않을 때 물을 저장하여 사용할 수 있습니다.
로스 앤젤레스에있는 Ernest E. Debs 지역 공원의 Audubon 환경 센터에는 시운전 직후 실패하여 더 이상 유지 보수되지 않는 솔라 에어컨 설치 사례가 있습니다. Southern California Gas Co. (The Gas Company)는 캘리포니아 다우니의 에너지 자원 센터 (ERC)에서 태양 열 냉각 시스템의 실용성을 테스트하고 있습니다. Sopogy와 Cogenra의 태양열 집열기는 ERC의 옥상에 설치되었으며 건물의 에어컨 시스템을 냉각시키고 있습니다. 아랍 에미리트의 Masdar City는 Sopogy 파라볼 릭 트로프 컬렉터, Mirroxx Fresnel 어레이 및 TVP Solar 고진공 태양열 패널을 사용하여 이중 효과 흡수 냉각 설비를 테스트하고 있습니다.
150 년 동안 (전기 전구가 발명되기 전에) 흡수 냉각 장치가 얼음을 만드는데 사용되었습니다. 이 얼음은 일본의 1995 뉴 오타니 도쿄 에서처럼 태양이 비치지 않을 때 냉각을위한 “얼음 배터리”로 저장되고 사용될 수 있습니다. 얼음 기반의 열 에너지 저장 성능 계산을 위해 공개 모델에서 수학 모델을 사용할 수 있습니다.
ISAAC Solar Icemaker는 간헐적 인 태양 암모니아 – 물 흡수 사이클입니다. ISAAC는 파라볼 릭 트로프 태양열 집열기와 연료 또는 전기 입력이없고 움직이는 부품이없는 얼음을 생산하기위한 작고 효율적인 설계를 사용합니다.
태양열 냉각 시스템의 공급 업체에는 ChillSolar, SOLID, Sopogy, Cogenra, Mirroxx 및 TVP Solar가 상업 시설로, ClimateWell, Fagor-Rotartica, SorTech 및 Daikin이 주거용 시스템으로 사용됩니다. Cogenra는 태양 열병합 발전을 사용하여 냉각에 사용할 수있는 열 및 전기 에너지를 생산합니다.
집중 집진기를 이용한 태양열 냉각 시스템
태양열 냉각 시스템에 집중 집진기를 사용하는 주된 이유는 다음과 같습니다. 이중 / 삼중 효과 냉각기와의 커플 링을 통한 고효율 공조; 공정 열과 증기와 결합하여 산업용 최종 사용자에게 태양열을 제공합니다.
산업 분야와 관련하여 최근 수년간의 여러 연구에서 지구상의 여러 지역 (예 : 지중해, 중미)에서 냉장 (0 ° C 이하의 온도) 가능성이 높음을 강조했습니다. 그러나 발전기에서 고온 열 유입이 요구되는 암모니아 / 물 흡수 냉각기 (120 ~ 180 ° C)를 통해 태양열 집열기를 집중 시켜야만 충족시킬 수 있습니다. 더욱이 몇몇 산업 분야에서는 공정에 냉각 및 스팀이 모두 필요하며 태양열 집열기를 집중하면 사용이 극대화된다는 점에서 매우 유리할 수 있습니다
무 에너지 빌딩
제로 에너지 빌딩의 목표에는 연간 연간 에너지 비용을 크게 줄이거 나 없애는 지속 가능한 그린 빌딩 기술이 포함됩니다. 최고의 업적은 전력 회사와 연결될 필요가없는 완전히 독립된 자치 건물입니다. 냉각 요구량이 많은 고온의 기후에서는 최첨단 태양열 에어컨이 점점 더 중요한 성공 요인이 될 것입니다.