Ar condicionado solar refere-se a qualquer sistema de ar condicionado (refrigeração) que utiliza energia solar.
Isto pode ser feito através da conversão solar passiva, energia solar térmica e conversão fotovoltaica (luz solar para eletricidade). A Lei de Segurança e Independência Energética dos EUA de 2007 criou financiamento de 2008 a 2012 para um novo programa de pesquisa e desenvolvimento de ar condicionado solar, que deve desenvolver e demonstrar múltiplas inovações tecnológicas e economias de escala de produção em massa. O ar-condicionado solar pode ter um papel cada vez maior no design de edifícios com energia zero e energia.
História
No final do século 19, o fluido mais comum para o resfriamento por absorção era uma solução de amônia e água. Hoje, a combinação de brometo de lítio e água também é comum. Uma extremidade do sistema de tubos de expansão / condensação é aquecida e a outra extremidade fica fria o suficiente para fazer gelo. Originalmente, o gás natural era usado como fonte de calor no final do século XIX. Hoje, o propano é usado em refrigeradores de resfriamento por absorção de veículos recreacionais. Os coletores de energia solar térmica de água quente também podem ser usados como a moderna fonte de calor de “energia livre”. Um relatório patrocinado pela NASA (National Aeronautics and Space Administration) em 1976 pesquisou as aplicações do sistema de energia solar no ar condicionado. As técnicas discutidas incluíram energia solar (ciclo de absorção e aquecimento do motor / ciclo Rankine) e relacionadas à energia solar (bomba de calor), juntamente com uma extensa bibliografia de literatura relacionada.
Refrigeração solar fotovoltaica (PV)
A energia fotovoltaica pode fornecer a energia para qualquer tipo de resfriamento movido a eletricidade, seja ela convencional baseada em compressor ou adsorção / absorção, embora a implementação mais comum seja com compressores. Para pequenos resfriamentos comerciais residenciais e pequenos (menos de 5 MWh / a), o resfriamento com energia fotovoltaica tem sido a tecnologia de resfriamento solar mais frequentemente implementada. A razão para isso é debatida, mas os motivos geralmente sugeridos incluem a estruturação de incentivos, a falta de equipamentos residenciais para outras tecnologias de resfriamento solar, o advento de resfriadores elétricos mais eficientes ou a facilidade de instalação em comparação com outras tecnologias de resfriamento solar resfriamento).
Já que a relação custo-benefício do resfriamento fotovoltaico depende em grande parte do equipamento de resfriamento e, dada a baixa eficiência nos métodos de resfriamento elétrico, até recentemente, ele não tem sido rentável sem subsídios. Usar métodos de resfriamento elétrico mais eficientes e permitir cronogramas de retorno mais longos está mudando esse cenário.
Por exemplo, um condicionador de ar de 100.000 BTU EU Energy Star avaliado com [nota 1] com uma alta taxa de eficiência energética sazonal (SEER) de 14 requer cerca de 7 kW de energia elétrica para uma saída de resfriamento completa em um dia quente. Isso exigiria mais de um sistema de geração de energia solar fotovoltaica de 20 kW com armazenamento.
Um sistema fotovoltaico de rastreio solar de 7 kW provavelmente teria um preço instalado bem acima de US $ 20.000 (com preços de equipamentos fotovoltaicos caindo atualmente em cerca de 17% ao ano). Custos de infra-estrutura, cabeamento, montagem e código NEC podem resultar em um custo adicional; por exemplo, um sistema de amarração de grade de painel solar de 3120 watts tem um custo de painel de US $ 0,99 / watt de pico, mas ainda custa ~ US $ 2,2 / watt pico de hora. Outros sistemas de capacidade diferente custam ainda mais, muito menos sistemas de backup de bateria, que custam ainda mais.
Um sistema de ar condicionado mais eficiente exigiria um sistema fotovoltaico menor e menos dispendioso. Uma instalação de bomba de calor geotérmica de alta qualidade pode ter um SEER na faixa de 20 (±). Um ar condicionado de 100.000 BTU SEER 20 precisaria de menos de 5 kW durante a operação.
A tecnologia de potência mais recente e de menor potência, incluindo as bombas de calor com inversor DC, pode atingir classificações de SEER até 26.
Existem novos sistemas de condicionamento de ar elétricos não baseados em compressores com um SEER acima de 20 chegando ao mercado. Novas versões de resfriadores indiretos evaporativos de mudança de fase usam apenas um ventilador e um suprimento de água para resfriar edifícios sem adicionar umidade interna extra (como no McCarran Airport Las Vegas Nevada). Em climas áridos e secos com umidade relativa abaixo de 45% (cerca de 40% dos EUA continentais), os resfriadores indiretos podem atingir um VENTRE acima de 20 e até SEER 40. Um resfriador evaporativo indireto de 100.000 BTU só precisaria de energia fotovoltaica suficiente para a circulação ventilador (mais uma fonte de água).
Um sistema fotovoltaico de energia parcial menos dispendioso pode reduzir (mas não eliminar) a quantidade mensal de eletricidade comprada da rede elétrica para ar condicionado (e outros usos). Com subsídios do governo estadual americano de US $ 2,50 a US $ 5,00 por watt fotovoltaico, o custo amortizado da eletricidade gerada por energia fotovoltaica pode ficar abaixo de US $ 0,15 por kWh. Atualmente, isso é rentável em algumas áreas onde a eletricidade da empresa de eletricidade é agora de US $ 0,15 ou mais. Excesso de energia fotovoltaica gerada quando o ar-condicionado não é necessário pode ser vendido para a rede elétrica em muitos locais, o que pode reduzir (ou eliminar) a necessidade anual líquida de compra de eletricidade. (Veja o edifício de energia zero)
A eficiência energética superior pode ser projetada para novas construções (ou adaptadas para edifícios existentes). Desde que o Departamento de Energia dos EUA foi criado em 1977, seu Programa de Assistência à Climatização reduziu a carga de aquecimento e resfriamento em 5,5 milhões de residências de baixa renda a uma média de 31%. Cem milhões de edifícios americanos ainda precisam de uma melhor climatização. Práticas convencionais de construção descuidadas ainda estão produzindo novos edifícios ineficientes que precisam de climatização quando são ocupadas pela primeira vez.
É bastante simples reduzir a necessidade de aquecimento e resfriamento para novas construções em metade. Isso muitas vezes pode ser feito sem custo líquido adicional, pois há economia de custos para sistemas de ar condicionado menores e outros benefícios.
Resfriamento geotérmico
Abrigando terra ou tubos de resfriamento da Terra podem tirar proveito da temperatura ambiente da Terra para reduzir ou eliminar os requisitos convencionais de ar condicionado. Em muitos climas onde a maioria dos seres humanos vive, eles podem reduzir bastante o acúmulo de calor indesejável no verão e também ajudar a remover o calor do interior do edifício. Eles aumentam o custo de construção, mas reduzem ou eliminam o custo do equipamento de ar condicionado convencional.
Os tubos de refrigeração da Terra não são rentáveis em ambientes tropicais quentes e úmidos, onde a temperatura ambiente da Terra se aproxima da zona de conforto da temperatura humana. Uma chaminé solar ou uma ventoinha alimentada por energia fotovoltaica pode ser usada para dissipar o calor indesejado e absorver o ar mais frio e desumidificado que passou pelas superfícies de temperatura ambiente da Terra. Controle de umidade e condensação são importantes problemas de projeto.
Uma bomba de calor geotérmica usa a temperatura ambiente da Terra para melhorar o aquecimento e resfriamento do SEER. Um poço profundo recircula a água para extrair a temperatura ambiente da terra (tipicamente em 2 galões de água por tonelada por minuto). Estes sistemas de “circuito aberto” foram os mais comuns nos sistemas iniciais, no entanto a qualidade da água pode causar danos às bobinas na bomba de calor e encurtar a vida útil do equipamento. Outro método é um sistema de circuito fechado, no qual um loop de tubulação é executado em um poço ou poços, ou em trincheiras no gramado, para resfriar um fluido intermediário. Quando os poços são usados, eles são preenchidos com Bentonita ou outro material de argamassa para garantir boa condutividade térmica à terra.
No passado, o fluido de escolha era uma mistura 50/50 de propilenoglicol, porque é não-tóxico, ao contrário do etilenoglicol (que é usado em radiadores de automóveis). O propilenoglicol é viscoso e acabaria por colar algumas partes no (s) laço (s), por isso caiu em desuso. Hoje, o agente de transferência mais comum é uma mistura de água e álcool etílico (etanol).
A temperatura ambiente da terra é muito mais baixa que a temperatura máxima do ar no verão, e muito mais alta que a temperatura mais baixa do ar no inverno. A água é 25 vezes mais termicamente condutora do que o ar, por isso é muito mais eficiente do que uma bomba de calor de ar externo (que se torna menos eficiente quando a temperatura externa cai no inverno).
O mesmo tipo de poço geotérmico pode ser usado sem uma bomba de calor, mas com resultados muito reduzidos. A temperatura ambiente da água da Terra é bombeada através de um radiador encoberto (como um radiador de automóvel). O ar é soprado através do radiador, que esfria sem um condicionador de ar baseado no compressor. Os painéis solares fotovoltaicos produzem eletricidade para a bomba de água e para o ventilador, eliminando as contas de serviços de ar condicionado convencionais. Esse conceito é econômico, desde que a localização tenha temperatura ambiente da Terra abaixo da zona de conforto térmico humano (não dos trópicos).
Ar condicionado solar de circuito aberto usando dessecantes
O ar pode ser passado sobre dessecantes sólidos comuns (como sílica gel ou zeólita) ou dessecantes líquidos (como brometo de lítio / cloreto) para extrair umidade do ar para permitir um ciclo de resfriamento mecânico ou evaporativo eficiente. O dessecante é então regenerado usando energia solar térmica para desumidificar, em um ciclo de repetição contínua de baixo consumo de energia e baixo custo. Um sistema fotovoltaico pode alimentar um ventilador de circulação de ar de baixa energia e um motor para girar lentamente um disco grande cheio de dessecante.
Sistemas de ventilação de recuperação de energia fornecem uma maneira controlada de ventilação de uma casa, minimizando a perda de energia. O ar é passado através de uma “roda de entalpia” (freqüentemente usando sílica gel) para reduzir o custo do aquecimento do ar ventilado no inverno, transferindo o calor do ar quente interno sendo exaurido para o ar de fornecimento fresco (mas frio). No verão, o ar interno resfria o fornecimento de ar mais quente para reduzir os custos de resfriamento da ventilação. Este sistema de ventilação com ventoinha e motor de baixa energia pode ser economicamente eficiente alimentado por energia fotovoltaica, com maior convecção natural que elimina uma chaminé solar – o fluxo de entrada de ar para baixo seria a convecção forçada (advecção).
Um dessecante como o cloreto de cálcio pode ser misturado com água para criar uma atraente cascata de recirculação, que desumidifica uma sala usando energia solar térmica para regenerar o líquido e uma bomba de água de baixa potência com energia fotovoltaica.
Resfriamento solar ativo, em que coletores solares térmicos fornecem energia de entrada para um sistema de resfriamento dessecante. Existem vários sistemas comercialmente disponíveis que sopram ar através de um meio impregnado dessecante para a desumidificação e o ciclo de regeneração. O calor solar é uma maneira que o ciclo de regeneração é alimentado. Em teoria, as torres compactas podem ser usadas para formar um fluxo de contracorrente do ar e do dessecante líquido, mas normalmente não são empregadas em máquinas comercialmente disponíveis. O pré-aquecimento do ar é mostrado para aumentar consideravelmente a regeneração do dessecante. A coluna empacotada produz bons resultados como desumidificador / regenerador, desde que a queda de pressão possa ser reduzida com o uso de uma embalagem adequada.
Refrigeração solar passiva
Neste tipo de resfriamento, a energia térmica solar não é usada diretamente para criar um ambiente frio ou conduzir qualquer processo de resfriamento direto. Em vez disso, o projeto de construção solar visa reduzir a taxa de transferência de calor em um prédio no verão e melhorar a remoção de calor indesejado. Envolve uma boa compreensão dos mecanismos de transferência de calor: condução de calor, transferência de calor convectiva e radiação térmica, esta última principalmente do sol.
Por exemplo, um sinal de projeto térmico ruim é um sótão que fica mais quente no verão do que o pico da temperatura do ar externo. Isso pode ser significativamente reduzido ou eliminado com um teto frio ou um telhado verde, o que pode reduzir a temperatura da superfície do telhado em 70 ° F (40 ° C) no verão. Uma barreira radiante e um intervalo de ar abaixo do telhado bloquearão cerca de 97% da radiação descendente do revestimento do telhado aquecido pelo sol.
O arrefecimento solar passivo é muito mais fácil de conseguir em novas construções do que através da adaptação de edifícios existentes. Existem muitos detalhes de projeto envolvidos no resfriamento solar passivo. É um elemento primário de projetar uma energia zero em um clima quente.
Refrigeração por absorção de circuito fechado solar
A seguir estão as tecnologias comuns em uso para o condicionamento de ar de circuito fechado solar térmico.
Absorção: NH 3 / H 2 O ou amônia / água
Absorção: Água / Brometo de Lítio
Absorção: Água / Cloreto de Lítio
Adsorção: Água / Gel de Sílica ou Água / Zeolite
Adsorção: Metanol / Carvão Ativado
O resfriamento solar ativo utiliza coletores térmicos solares para fornecer energia solar a resfriadores movidos a temperatura (geralmente resfriadores de adsorção ou absorção). A energia solar aquece um fluido que fornece calor ao gerador de um resfriador de absorção e é recirculado de volta para os coletores. O calor fornecido ao gerador aciona um ciclo de resfriamento que produz água gelada. A água gelada produzida é usada para grandes resfriamentos comerciais e industriais.
A energia solar térmica pode ser usada para resfriar com eficiência no verão, e também aquecer a água quente e os edifícios no inverno. Os ciclos de resfriamento de absorção iterativa simples, dupla ou tripla são usados em diferentes projetos de sistemas de resfriamento térmico solar. Quanto mais ciclos, mais eficientes eles são. Os resfriadores de absorção operam com menos ruído e vibração que os resfriadores baseados em compressores, mas seus custos de capital são relativamente altos.
Os chillers de absorção eficiente exigem nominalmente água de pelo menos 190 ° F (88 ° C). Os coletores térmicos solares de placas planas comuns e baratos produzem apenas cerca de 160 ° F (71 ° C) de água. Placa plana de alta temperatura, concentradores (CSP) ou coletores de tubo evacuados são necessários para produzir os fluidos de transferência de temperatura mais altos necessários. Em instalações de grande escala, existem vários projectos bem sucedidos, tanto técnicos como económicos, em operação a nível mundial, incluindo, por exemplo, na sede da Caixa Geral de Depósitos em Lisboa, com 1.579 metros quadrados de colectores solares e 545 kW de potência de arrefecimento. Vila olímpica da navigação em Qingdao / China. Em 2011, a usina mais poderosa do novo United World College, construído em Cingapura, será comissionada (1500 kW).
Esses projetos demonstraram que os coletores solares de placas planas, especialmente desenvolvidos para temperaturas superiores a 200 ° F (com vidros duplos, maior isolamento traseiro, etc.) podem ser eficazes e econômicos. Onde a água pode ser aquecida bem acima de 190 ° F (88 ° C), ela pode ser armazenada e usada quando o sol não está brilhando.
O Centro Ambiental Audubon, no Parque Regional Ernest E. Debs, em Los Angeles, tem um exemplo de instalação de ar condicionado solar, que falhou logo após o comissionamento e não está mais sendo mantido. A Southern California Gas Co. (The Gas Company) também está testando a praticidade dos sistemas de resfriamento térmico solar em seu Energy Resource Center (ERC) em Downey, Califórnia. Os coletores solares da Sopogy e da Cogenra foram instalados no telhado do ERC e estão produzindo resfriamento para o sistema de ar condicionado do edifício. A cidade de Masdar, nos Emirados Árabes Unidos, também está testando uma usina de resfriamento por absorção de efeito duplo usando coletores parabólicos Sopogy, matriz Mirroxx Fresnel e painéis solares solares de alto vácuo TVP.
Por 150 anos, chillers de absorção foram usados para fazer gelo (antes que as lâmpadas elétricas fossem inventadas). Este gelo pode ser armazenado e usado como uma “bateria de gelo” para resfriamento quando o sol não está brilhando, como foi no Hotel New Otani Tokyo de 1995 no Japão. Modelos matemáticos estão disponíveis no domínio público para cálculos de desempenho de armazenamento de energia térmica baseados em gelo.
O ISAAC Solar Icemaker é um ciclo de absorção de amônia-água solar intermitente. O ISAAC usa um coletor solar de calha parabólica e um design compacto e eficiente para produzir gelo sem combustível ou entrada elétrica, e sem partes móveis.
Os fornecedores de sistemas de refrigeração solar incluem ChillSolar, SOLID, Sopogy, Cogenra, Mirroxx e TVP Solar para instalações comerciais e ClimateWell, Fagor-Rotartica, SorTech e Daikin principalmente para sistemas residenciais. A Cogenra usa a co-geração solar para produzir energia térmica e elétrica que pode ser usada para resfriamento.
Sistemas de refrigeração solar utilizando coletores concentradores
As principais razões para empregar coletores concentradores em sistemas de refrigeração solar são: ar-condicionado de alta eficiência através do acoplamento com chillers de efeito duplo / triplo; e refrigeração solar atendendo a usuários finais industriais, possivelmente em combinação com calor e vapor de processo.
Em relação às aplicações industriais, vários estudos nos últimos anos destacaram que há um alto potencial de refrigeração (temperaturas abaixo de 0 ° C) em diferentes áreas do globo (por exemplo, o Mediterrâneo, a América Central). No entanto, isso pode ser alcançado por resfriadores de absorção de amônia / água que exigem entrada de calor a alta temperatura no gerador, em uma faixa (120 ÷ 180 ° C) que só pode ser satisfeita pela concentração de coletores solares. Além disso, várias aplicações industriais requerem refrigeração e vapor para processos, e a concentração de coletores solares pode ser muito vantajosa no sentido de que seu uso é maximizado.
Edifícios com energia zero
Os objetivos dos prédios de energia zero incluem tecnologias sustentáveis de construção ecológica que podem reduzir significativamente ou eliminar as contas de energia anuais líquidas. A conquista suprema é o edifício autônomo totalmente fora da grade, que não precisa estar conectado a empresas de serviços públicos. Em climas quentes com grau significativo de necessidade de resfriamento, o ar-condicionado solar de ponta será um fator crítico de sucesso cada vez mais importante.