Солнечное кондиционирование воздуха относится к любой системе кондиционирования воздуха (охлаждения), в которой используется солнечная энергия.

Это можно сделать с помощью пассивной солнечной, солнечной тепловой конверсии и фотовольтаического преобразования (солнечного света в электричество). Закон США об энергетической независимости и безопасности 2007 года создал финансирование на 2008-2012 годы новой программы исследований и разработок в области солнечного кондиционирования воздуха, которая должна разработать и продемонстрировать множество новых технологических инноваций и масштабную экономию массового производства. Солнечное кондиционирование воздуха может играть все большую роль в проектировании зданий с нулевой энергией и энергией плюс.

история
В конце 19-го века наиболее распространенной жидкостью для охлаждения абсорбции был раствор аммиака и воды. Сегодня комбинация литийбромида и воды также широко используется. Один конец системы труб расширения / конденсации нагревается, а другой конец становится достаточно холодным, чтобы сделать лед. Первоначально природный газ использовался в качестве источника тепла в конце 19 века. Сегодня пропан используется в холодильных холодильных холодильных камерах. Солнечные тепловые коллекторы горячей воды также могут использоваться в качестве современного источника тепла «свободной энергии». В 1976 году Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) был представлен доклад об использовании систем кондиционирования воздуха в солнечной энергетике. Обсуждаемые методы включали как солнечный (цикл поглощения, так и тепловой двигатель / цикл Ранкина) и солнечный (тепловой насос) вместе с обширной библиографией соответствующей литературы.

Фотогальваническое (PV) солнечное охлаждение
Фотовольтаика может обеспечить мощность для любого типа охлаждения с электропитанием, будь то обычная компрессорная или адсорбционная / поглощающая, хотя наиболее распространенная реализация — с компрессорами. Для небольшого жилого и небольшого промышленного охлаждения (менее 5 МВт-ч / а) охлаждение с помощью PV-источника является наиболее часто используемой технологией солнечного охлаждения. Причина этого заключается в обсуждении, но обычно предлагаемые причины включают структурирование стимулов, отсутствие оборудования для жилых помещений для других технологий солнечного охлаждения, появление более эффективных электрических охладителей или простоту установки по сравнению с другими технологиями солнечного охлаждения (например, охлаждение).

Поскольку экономическая эффективность PV-охладителя во многом зависит от охлаждающего оборудования и с учетом плохой эффективности методов электрического охлаждения до недавнего времени, он не был экономически эффективным без субсидий. Использование более эффективных методов электрического охлаждения и использование более длительных графиков окупаемости изменяет этот сценарий.

Например, 100 000 BTU US Energy Star с рейтингом [примечание 1] с высоким сезонным коэффициентом энергоэффективности (SEER) 14 потребляют около 7 кВт электроэнергии для полного охлаждения в жаркий день. Это потребует более 20 кВт солнечной фотоэлектрической системы генерации электроэнергии с хранением.

Солнечно-трекинг 7 кВт фотоэлектрической системы, вероятно, будет иметь установленную цену и более $ 20 000 долларов США (при цене на PV оборудование в настоящее время падает примерно на 17% в год). Стоимость инфраструктуры, проводки, монтажа и NEC-кода может зависеть от дополнительных затрат; например, сетка с сеткой солнечных панелей мощностью 3120 Вт имеет цену панели в 0,99 долл. / ватт, но по-прежнему стоит ~ 2,2 долл. / ватт-час. Другие системы разной емкости стоят еще больше, не говоря уже о системах резервного копирования батарей, которые стоят еще больше.

Для более эффективной системы кондиционирования потребуется меньшая, менее дорогая фотогальваническая система. Высококачественная установка геотермального теплового насоса может иметь SEER в диапазоне 20 (±). Кондиционер 100 000 BTU SEER 20 будет потреблять менее 5 кВт при работе.

Новые и более низкие технологии питания, включая инверторные тепловые насосы постоянного тока инвертора, могут достигать рейтингов SEER до 26.

На рынке появились новые системы кондиционирования воздуха на основе компрессора с SEER выше 20. Новые версии косвенных испарительных охладителей с фазовым изменением не используют ничего, кроме вентилятора и воды для охлаждения зданий без дополнительной влажности воздуха (например, в McCarran Airport Las Vegas Nevada). В сухих и засушливых климатах с относительной влажностью ниже 45% (около 40% от континентальной части США) косвенные испарительные охладители могут достигать SEER выше 20 и вплоть до SEER 40. Космический испарительный охладитель на 100 000 BTU будет нуждаться только в достаточно фотоэлектрической энергии для циркуляции вентилятор (плюс водоснабжение).

Менее дорогостоящая фотоэлектрическая система с частичной мощностью может уменьшить (но не исключить) ежемесячное количество электроэнергии, приобретенной у электросети для кондиционирования воздуха (и других целей). Если американские государственные субсидии в размере от 2,50 долл. США до 5 долл. США за каждый фотоэлектрический ватт, амортизированная стоимость электроэнергии, вырабатываемой PV, может быть ниже 0,15 долл. США за кВт-ч. В настоящее время это экономически выгодно в некоторых областях, где электроэнергетическая компания сейчас составляет 0,15 долл. США или более. Избыточная энергия PV, генерируемая при отсутствии кондиционирования воздуха, может быть продана в энергосистеме во многих местах, что может снизить (или исключить) годовую потребность в покупке электроэнергии. (См. «Нулевое энергетическое здание»)

Превосходная энергоэффективность может быть спроектирована в новую конструкцию (или модернизирована в существующих зданиях). Поскольку Министерство энергетики США было создано в 1977 году, их программа содействия популяризации снизила нагрузку на отопление и охлаждение на 5,5 млн. Домов с низким доходом в среднем на 31%. Сто миллионов американских зданий по-прежнему нуждаются в улучшенной выветримости. Небрежные обычные методы строительства по-прежнему создают неэффективные новые здания, которые нуждаются в выветривании, когда они впервые заняты.

Достаточно просто снизить наполовину потребность в нагревании и охлаждении для нового строительства. Это часто можно сделать без каких-либо дополнительных затрат, поскольку экономия средств для небольших систем кондиционирования воздуха и других преимуществ.

Геотермальное охлаждение
Укрытия Земли или трубки охлаждения Земли могут использовать температуру окружающей среды Земли для уменьшения или исключения обычных требований к кондиционированию воздуха. Во многих климатах, где живет большинство людей, они могут значительно уменьшить накопление нежелательной летней жары, а также помочь удалить тепло изнутри здания. Они увеличивают стоимость строительства, но уменьшают или устраняют стоимость обычного оборудования для кондиционирования воздуха.

Трубки для охлаждения Земли не являются экономически эффективными в жарких влажных тропических средах, где окружающая температура Земли приближается к зоне комфорта человека. Вентилятор солнечной дымовой трубы или фотогальванический привод можно использовать для выработки нежелательной тепловой энергии и втягивания в охлажденный, осушенный воздух, который прошел по поверхностям окружающей поверхности Земли. Контроль влажности и конденсации являются важными проблемами дизайна.

В геотермальном тепловом насосе используется температура окружающей среды для повышения температуры и охлаждения SEER. Глубокая скважина рециркулирует воду для извлечения окружающей температуры Земли (обычно при 2 галлонах воды на тонну в минуту). Эти системы с открытым контуром были наиболее распространенными в ранних системах, однако качество воды может привести к повреждению катушек в тепловом насосе и сократить срок службы оборудования. Другим методом является система с замкнутым контуром, в которой петля трубки проходит по скважине или колодцам или в траншеях на газоне для охлаждения промежуточной жидкости. Когда используются скважины, они заполняются бентонитом или другим материалом для затвердевания, чтобы обеспечить хорошую теплопроводность к земле.

В прошлом выбранная жидкость представляла собой смесь пропиленгликоля 50/50, поскольку она нетоксична в отличие от этиленгликоля (который используется в автомобильных радиаторах). Пропиленгликоль является вязким и, в конечном итоге, высушивает некоторые части в петле (-ях), поэтому он выпал из-за неприятностей. Сегодня наиболее распространенным переносчиком является смесь воды и этилового спирта (этанола).

Температура окружающей среды значительно ниже, чем температура летнего летнего пика, и намного выше, чем самая низкая экстремальная температура воздуха в зимнем режиме. Вода в 25 раз более теплопроводна, чем воздух, поэтому она намного эффективнее, чем тепловой насос наружного воздуха (что становится менее эффективным, когда наружная температура падает зимой).

Такой же тип геотермальной скважины можно использовать без теплового насоса, но со значительно уменьшенными результатами. Вода с температурой окружающей среды закачивается через окутанный радиатор (например, автомобильный радиатор). Воздух продувается через радиатор, который охлаждается без кондиционера на компрессоре. Фотоэлектрические солнечные электрические панели производят электричество для водяного насоса и вентилятора, устраняя обычные счета за коммунальные услуги. Эта концепция экономически эффективна, если в ней находится температура окружающей среды ниже зоны теплового комфорта человека (а не тропиков).

Солнечная система с разомкнутым контуром с использованием осушителей
Воздух можно пропускать через обычные твердые осушители (например, силикагель или цеолит) или жидкие осушители (например, бромид лития / хлорид) для всасывания влаги из воздуха, чтобы обеспечить эффективный механический или испарительный цикл охлаждения. Осушитель затем регенерируется с использованием солнечной тепловой энергии для удаления влаги, в экономичном, непрерывном повторении цикла с низким энергопотреблением. Фотоэлектрическая система может приводить в действие низкоэнергетический вентилятор для циркуляции воздуха, а двигатель медленно вращает большой диск, заполненный осушителем.

Системы вентиляции с рекуперацией энергии обеспечивают контролируемый способ вентиляции дома, минимизируя потери энергии. Воздух проходит через «энтальпийное колесо» (часто с использованием силикагеля), чтобы снизить затраты на обогрев вентилируемого воздуха зимой, передавая тепло от теплого внутреннего воздуха, который истощается до свежего (но холодного) приточного воздуха. Летом внутренний воздух охлаждает более теплый приточный воздух, чтобы уменьшить расходы на вентиляцию. Эта низкоэнергетическая система вентиляции и двигателя может быть экономически эффективна с использованием фотоэлектрических элементов, при этом улучшенная естественная конвекция выхлопает солнечную дымовую трубу — поток входящего воздуха вниз будет принудительной конвекцией (адвекция).

Осушитель, такой как хлорид кальция, можно смешивать с водой для создания привлекательного рециркуляционного водопада, который осушает помещение с использованием солнечной тепловой энергии для регенерации жидкости и низковольтного водяного насоса с питанием от PV.

Активное солнечное охлаждение, в котором солнечные тепловые коллекторы обеспечивают входную энергию для осушительной системы охлаждения. Существует несколько коммерчески доступных систем, которые продувают воздух через пропитанную осушителем среду как для осушения, так и для цикла регенерации. Солнечное тепло является одним из способов питания цикла регенерации. Теоретически упакованные башни могут использоваться для формирования противотока в потоке воздуха и жидкого осушителя, но обычно не используются в коммерчески доступных машинах. Показано, что предварительный нагрев воздуха значительно усиливает регенерацию осушителя. Насадочная колонна дает хорошие результаты в качестве осушителя / регенератора, при условии, что падение давления может быть уменьшено с использованием подходящей упаковки.

Пассивное солнечное охлаждение
В этом типе охлаждения солнечная тепловая энергия не используется непосредственно для создания холодной среды или для управления любыми процессами прямого охлаждения. Вместо этого солнечный проект здания направлен на замедление скорости передачи тепла в здании летом и улучшение удаления нежелательного тепла. Он включает в себя хорошее понимание механизмов теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение, последнее в основном от солнца.

Например, признак плохой тепловой конструкции — это чердак, который становится жарче летом, чем пиковая температура наружного воздуха. Это может быть значительно уменьшено или устранено с помощью холодной крыши или зеленой крыши, что может снизить температуру поверхности крыши на 70 ° F (40 ° C) летом. Радиационный барьер и воздушный зазор под крышей будут блокировать около 97% снижения излучения от облицовки крыши, нагретой солнцем.

Пассивное солнечное охлаждение намного легче достичь в новом строительстве, чем при адаптации существующих зданий. В пассивном солнечном охлаждении существует множество особенностей дизайна. Это основной элемент проектирования здания с нулевой энергией в жарком климате.

Солнечное охлаждение с замкнутым контуром
Ниже приведены общие технологии, используемые для солнечной тепловой системы кондиционирования.

Абсорбция: NH _{3 / H 2 O или Ammonia / Water
Абсорбция: вода / литий-бромид
Абсорбция: вода / хлорид лития
Адсорбция: вода / силикагель или вода / цеолит
Адсорбция: метанол / активированный уголь}

Активное солнечное охлаждение использует солнечные тепловые коллекторы для обеспечения солнечной энергии для термически управляемых чиллеров (как правило, адсорбционных или абсорбционных чиллеров). Солнечная энергия нагревает жидкость, которая обеспечивает нагрев генератора абсорбционного чиллера и возвращается обратно в коллектор. Тепло, подаваемое генератору, приводит к циклу охлаждения, который создает охлажденную воду. Полученная охлажденная вода используется для промышленного и промышленного охлаждения.

Солнечная тепловая энергия может использоваться для эффективного охлаждения летом, а также для отопления горячей воды и зданий зимой. Одиночные, двойные или тройные итерационные циклы охлаждения абсорбции используются в различных конструкциях системы солнечного теплового охлаждения. Чем больше циклов, тем эффективнее они. Абсорбционные чиллеры работают с меньшим шумом и вибрацией, чем на чиллерах на компрессорах, но их капитальные затраты относительно высоки.

Эффективные абсорбционные чиллеры номинально требуют воды по крайней мере 190 ° F (88 ° C). Обычные, недорогие плоские солнечные тепловые коллекторы производят только около 160 ° F (71 ° C) воды. Для получения жидкости с более высокой температурой, требуемой, необходимы высокотемпературные плоские пластины, концентрирующие (CSP) или эвакуированные трубчатые коллекторы. В крупномасштабных установках есть несколько успешных проектов, как технических, так и экономичных в эксплуатации во всем мире, в том числе, например, в штаб-квартире Caixa Geral de Depósitos в Лиссабоне с солнечными коллекторами мощностью 1579 кв. М (17 000 кв. Футов) и мощностью охлаждения 545 кВт или на Олимпийская парусная деревня в Циндао / Китай. В 2011 году будет введен в эксплуатацию самый мощный завод в новом построенном Объединенном мировом колледже в Сингапуре (1500 кВт).

Эти проекты показали, что плоские пластинчатые солнечные коллекторы, специально разработанные для температур более 93 ° C (с двойным остеклением, повышенной изоляцией сзади и т. Д.), Могут быть эффективными и экономичными. Там, где вода может нагреваться намного выше 190 ° F (88 ° C), ее можно хранить и использовать, когда солнце не светит.

Окружающий центр Audubon в региональном парке Ernest E. Debs в Лос-Анджелесе имеет пример установки солнечного кондиционера, которая не удалась вскоре после ввода в эксплуатацию и больше не поддерживается. Южно-Калифорнийская газовая компания (Gas Gas) также тестирует практичность систем солнечного теплового охлаждения в своем Энергетическом ресурсном центре (ERC) в Дауни, Калифорния. Солнечные коллекторы от Sopogy и Cogenra были установлены на крыше в ERC и производят охлаждение для системы кондиционирования воздуха здания. Masdar City в Объединенных Арабских Эмиратах также тестирует систему охлаждения абсорбции с двойным эффектом с использованием параболических коллекторов Sopogy, массива Mirroxx Fresnel и солнечных панелей солнечной энергии TVP Solar.

В течение 150 лет абсорбционные чиллеры использовались для производства льда (до того, как были изобретены электрические лампочки). Этот лед можно хранить и использовать в качестве «ледяной батареи» для охлаждения, когда солнце не сияет, как это было в отеле New Otani Tokyo в 1995 году в Японии. Математические модели доступны в общественном достоянии для расчетов эффективности хранения энергии на основе льда.

ISAAC Solar Icemaker представляет собой прерывистый цикл поглощения солнечной аммиака и воды. ISAAC использует параболический солнечный коллектор и компактный и эффективный дизайн для производства льда без топлива или электрического ввода и без движущихся частей.

Поставщики солнечных систем охлаждения включают ChillSolar, SOLID, Sopogy, Cogenra, Mirroxx и TVP Solar для коммерческих установок и ClimateWell, Fagor-Rotartica, SorTech и Daikin в основном для жилых систем. Cogenra использует солнечную когенерацию для производства тепловой и электрической энергии, которую можно использовать для охлаждения.

Системы солнечного охлаждения с использованием концентрационных коллекторов
Основными причинами использования концентрационных коллекторов в системах солнечного охлаждения являются: высокоэффективное кондиционирование воздуха посредством соединения с чиллерами с двойным / тройным эффектом; и солнечное охлаждение, обслуживающее промышленных конечных пользователей, возможно, в сочетании с технологическим теплом и паром.

Что касается промышленного применения, то в последние годы в нескольких исследованиях подчеркивалось, что существует высокий потенциал для охлаждения (температуры ниже 0 ° C) в разных районах земного шара (например, Средиземноморье, Центральная Америка). Однако это может быть достигнуто с помощью чиллеров с абсорбцией аммиака / воды, требующих высокотемпературной подачи тепла на генераторе в диапазоне (120 ÷ 180 ° C), что может быть достигнуто только путем концентрирования солнечных коллекторов. Кроме того, для нескольких промышленных применений требуется как охлаждение, так и пар для процессов, а концентрация солнечных коллекторов может быть очень выгодной в том смысле, что их использование максимально

Земельные объекты
Цели зданий с нулевой энергией включают устойчивые технологии зеленого строительства, которые могут значительно сократить или исключить чистые годовые счета за электроэнергию. Высшим достижением является полностью автономное здание, которое не должно быть подключено к коммунальным предприятиям. В жарком климате со значительными временами охлаждения требования передовые солнечные кондиционеры станут все более важным фактором успеха.