Введение
Система охлаждения, использующая солнечную энергию Солнечный кондиционер или "кондиционер на солнечной энергии" относится к любой системе кондиционирования (охлаждения) воздуха, использующей солнечную энергию. Это может быть сделано с помощью пассивной солнечной конструкции, преобразования солнечной тепловой энергии и фотоэлектрического преобразования (солнечный свет в электричество). Закон США об энергетической независимости и безопасности 2007 года создал финансирование с 2008 по 2012 год для новой исследовательской и разработки солнечной программы кондиционирования воздуха, которая должна разработать и продемонстрировать множество новых технологических инноваций и экономию масштаба массового производства.
Solar air conditioning, or "solar powered air conditioning", refers to any air conditioning (cooling) system that uses solar power. This can be done through passive solar design, solar thermal energy conversion, and photovoltaic conversion (sunlight to electricity). The U. S. Energy Independence and Security Act of 2007 created 2008 through 2012 funding for a new solar air conditioning research and development program, which should develop and demonstrate multiple new technology innovations and mass production economies of scale.
История
В конце 19 века наиболее распространенной жидкостью для охлаждения поглощения был раствор аммиака и воды. Сегодня также широко используется сочетание бромида лития и воды. Один конец системы труб расширения/конденсации нагревается, а другой конец охлаждается настолько, что образуется лед. Первоначально природный газ использовался в качестве источника тепла в конце 19-го века. Сегодня пропан используется в холодильниках с охладителем для автомобилей. Тепловодные солнечные тепловые коллекторы также могут использоваться в качестве современного источника тепла "свободной энергии". В докладе, спонсируемом Национальным управлением аэронавтики и космоса (NASA) в 1976 году, были обследованы применения солнечной энергии в системах кондиционирования воздуха. Обсуждались методы, включающие в себя как солнечные (абсорбционный цикл и тепловой двигатель / цикл Ранкина), так и связанные с солнечной энергией (тепловой насос), а также обширная библиография соответствующей литературы.
Солнечный фотоэлектрический охлаждающий прибор
Фотоэлектрические системы могут обеспечивать либо косвенную солнечную энергию для кондиционирования воздуха, либо прямое питание кондиционеров. Непрямая фотоэлектрическая энергия для кондиционеров состоит из солнечной энергии для всего дома или всего здания, что традиционно для большинства пользователей также означало чистое измерение в сеть. Солнечная энергия в этом случае переводится на переменный ток (AC) для работы приборов в доме или здании, включая кондиционеры. Преимущество этого заключается в том, что кондиционерам не нужна специальная электроника для использования солнечной энергии, поэтому это простая реализация. Недостатком является то, что эти кондиционеры обычно имеют значение SEER 14 или меньше, а поставляемая солнечная энергия имеет некоторые потери от преобразования мощности солнечной энергии постоянного тока в переменную даже до того, как она достигает кондиционеров. Еще один недостаток заключается в том, что эти кондиционеры не могут работать, когда сеть отключена, поскольку, по сути, чистый дом или здание, подлежащее измерению, является узлом в сети, и коммунальные службы должны предотвращать обратную подачу энергии в мертвую сеть, когда сеть отключена. И теперь кондиционеры, как и многие бытовые приборы (например, телевизоры, компьютеры) начинают работать на постоянном токе. Таким образом, все здания для таких блоков должны быть переведены на переменный ток, а затем снова на постоянный, что еще больше увеличивает неэффективность. Солнечные батареи, установленные вне сети, используют батареи для подачи солнечной энергии в целый дом или здание. В таких системах используется регулятор напряжения для управления зарядкой аккумулятора, а затем энергия аккумулятора переводится в обратный путь, чтобы обеспечить переменный ток для дома или здания. Поскольку они не связаны с сетью или не подчиняются сетевому измерению, они могут работать после шторма или другого события, приведшего к сбою электроэнергии. Однако, снова, энергию необходимо преобразовать из постоянного тока солнечных батарей в переменный по инверсии, чтобы подавать электричество удаленно в приборы. Совсем недавно были разработаны настоящие солнечные фотоэлектрические кондиционеры, тепловые насосы. Такие установки работают на постоянном токе, и, как таковые, они могут и используют свойственную постоянную энергию, вырабатываемую фотоэлектрическими солнечными панелями. Одна мини-разделенная версия этих устройств использует 48-вольтную постоянную питательную шину и 48-вольтную батарею, обычно 4 x 12-вольтные батареи в серии (например, Hotspot Energy). В отличие от всей системы аккумуляторов в доме, эти батареи работают только на кондиционере. Преимущество этих систем в том, что при достаточной емкости солнечной энергии и батареи они могут работать ночью или в пасмурную погоду. Другая мини-разделенная версия позволяет подключать солнечные панели непосредственно к внешней части блока, использует шину питания 310v DC и предлагает дополнительную подключение к запасной сети 120v (Airspool), чтобы восполнить недостаток солнечной энергии. Преимущество этих инверторных кондиционеров постоянного тока - это их более низкая стоимость, в то время как недостаток заключается в том, что они не могут работать без солнечной энергии, если они не подключены к электричеству. Обе эти системы используют технологию переменного потока хладагента, с высокоэффективными двигателями постоянного тока с переменной скоростью и компрессорами, требующими очень малой мощности, и обе также предлагают тепло в дополнение к кондиционированию воздуха. Третий тип устройства доступен для больших, обычно коммерческих, зданий и предлагает как резервную сеть, так и батарею, а также дополнительный чистый счетчик. Как и два небольших блока, эти блоки являются VRF, но в отличие от них, есть возможность запуска отопления в одной части здания и кондиционирования воздуха в другой части, используя один внешний / конденсационный блок и несколько внутренних / испарительных блоков, расположенных в разных районах здания, чтобы обустроить эти области на основе конкретных потребностей пользователей. Фотоэлектричество также может быть объединено с геотермальной технологией. Для эффективной геотермальной системы кондиционирования воздуха потребуется меньшая, менее дорогая фотоэлектрическая система. Установка высококачественного геотермального теплового насоса может и...
Superior energy efficiency can be designed into new construction (or retrofitted to existing buildings). Since the U. S. Department of Energy was created in 1977, their Weatherization Assistance Program has reduced heating and cooling load on 5.5 million low income affordable homes an average of 31%. A hundred million American buildings still need improved weatherization. Careless conventional construction practices are still producing inefficient new buildings that need weatherization when they are first occupied.
Геотермальное охлаждение
Земляные трубки для укрытия или охлаждения земли могут использовать окружающую температуру земли для уменьшения или устранения требований к обычному кондиционированию воздуха. Во многих климатических условиях, где проживает большинство людей, они могут значительно снизить накопление нежелательной летней жары, а также помочь удалить тепло из внутренней части здания. Они увеличивают стоимость строительства, но уменьшают или устраняют стоимость обычного оборудования кондиционирования воздуха. Земляные трубки для охлаждения не являются экономически эффективными в жарких влажных тропических условиях, где окружающая температура Земли приближается к комфортной зоне человеческой температуры. Солнечный дымоход или вентилятор на фотоэлектрическом топливе могут использоваться для выделения нежелательного тепла и притяжения более холодного, обезвоженного воздуха, прошедшего по температурным поверхностям Земли. Контроль влажности и конденсации являются важными вопросами проектирования. Геотермальный тепловой насос использует температуру окружающей земли для улучшения SEER для отопления и охлаждения. Глубокий колодец рециркулирует воду для извлечения температуры окружающей земли, обычно на уровне воды на метрическую тонну в минуту. Эти системы "открытого цикла" были наиболее распространены в ранних системах, однако качество воды может привести к повреждению катушек в тепловом насосе и сократить срок службы оборудования. Другой метод - система замкнутого цикла, в которой цикл труб проходит по колодцу или колодцам или в траншеях на лужайке, чтобы охладить промежуточную жидкость. Когда используются скважины, они заполняются бентонитом или другим материалом, чтобы обеспечить хорошую теплопроводность в землю. В прошлом предпочтительной жидкостью была смесь пропиленгликоля 50/50, поскольку она не токсична, в отличие от этиленгликоля (который используется в радиаторах автомобилей). Пропиленгликоль является вязким и в конечном итоге заклеивает некоторые части в петле, поэтому он выпал из моды. Сегодня наиболее распространенным средством переноса является смесь воды и этилового спирта (этанола). Температура окружающей среды Земли намного ниже, чем пиковая летняя температура воздуха, и намного выше, чем самая низкая экстремальная температура воздуха зимой. Вода в 25 раз более теплопроводна, чем воздух, поэтому она намного эффективнее, чем тепловой насос наружного воздуха (который становится менее эффективным, когда температура наружного воздуха падает зимой). Тот же тип геотермальной скважины может использоваться без теплового насоса, но с значительно уменьшенными результатами. Вода, имеющая температуру окружающей земли, прокачивается через закрытый радиатор (как в автомобиле). Воздух дует через радиатор, который охлаждается без кондиционера на основе компрессора. Фотоэлектрические солнечные панели производят электричество для водяного насоса и вентилятора, устраняя обычные счета за коммунальные услуги по кондиционированию воздуха. Эта концепция является экономически эффективной, если температура окружающей среды ниже температуры комфортной зоны для человека (а не тропиков).
Солнечная кондиционерная система с открытым циклом, использующая осушители
Воздух может проходить через обычные твердые осушители (например, кремниевый гель или цеолит) или жидкие осушители (например, бромид лития / хлорид), чтобы извлечь влагу из воздуха, чтобы обеспечить эффективный механический или испарительный цикл охлаждения. Затем осушитель регенерируется с помощью солнечной тепловой энергии для обезвоживания, в экономически эффективном, низкоэнергетическом, непрерывно повторяющемся цикле. Фотоэлектрическая система может питать низкоэнергетический вентилятор циркуляции воздуха и двигатель, медленно вращающий большой диск, наполненный сушительным средством. Системы вентиляции с восстановлением энергии обеспечивают контролируемый способ вентиляции дома, минимизируя потери энергии. Воздух пропускается через "энтальпийное колесо" (часто используется кремниевый гель), чтобы снизить затраты на нагрев вентилируемого воздуха зимой путем передачи тепла от теплого внутреннего воздуха, выделяемого в свежий (но холодный) воздух. Летом воздух внутри охлаждает теплый входящий запас воздуха, чтобы снизить затраты на охлаждение вентиляции. Эта система вентиляции с низким энергопотреблением может быть экономически эффективно питаться от фотоэлектрических элементов, с улучшенной естественной конвекцией выхлопных газов вверх по солнечному дымоходу, приходящий вниз поток воздуха будет вынужденной конвекцией (адвекцией). Сушитель, такой как хлорид кальция, можно смешать с водой, чтобы создать рециркулирующий водопад, который обезвоживает помещение, используя солнечную тепловую энергию для регенерации жидкости, и водонасос с низким расходом воды на солнечной энергии для циркуляции жидкости. Активное солнечное охлаждение, при котором солнечные тепловые коллекторы обеспечивают энергию входа для системы охлаждения осушителя. Существует несколько коммерчески доступных систем, которые продувают воздух через импрегнированную сушительную среду как для осушения, так и для цикла регенерации. Солнечный тепловой процесс является одним из способов, с помощью которого происходит регенерация. В теории упакованные башни могут использоваться для формирования противоположного потока воздуха и жидкого осушителя, но обычно не используются в коммерчески доступных машинах. Показано, что предварительное нагревание воздуха значительно усиливает регенерацию осушителя. Упакованная колонка дает хорошие результаты в качестве осушителя/регенератора при условии, что падение давления может быть уменьшено с использованием подходящей упаковки.
Пассивное солнечное охлаждение
При этом типе охлаждения солнечная тепловая энергия не используется непосредственно для создания холодной среды или для приведения в действие каких-либо прямых процессов охлаждения. Вместо этого, проектирование солнечных зданий направлено на замедление скорости передачи тепла в здание летом и улучшение удаления нежелательного тепла. Она включает в себя хорошее понимание механизмов передачи тепла: теплопроводность, конвективный теплопередачи и теплового излучения, последний в основном от солнца. Например, признаком плохой тепловой конструкции является чердак, который летом становится жарче, чем пиковая температура воздуха на улице. Это может быть значительно уменьшено или устранено с помощью прохладной крыши или зеленой крыши, которая может снизить температуру поверхности крыши на 70 ° F (40 ° C) летом. Радиационный барьер и воздушный проем под крышей блокируют около 97% радиации, исходящей от нагревающейся солнцем крыши. Пассивное солнечное охлаждение гораздо легче достичь в новых строениях, чем при адаптации существующих зданий. Существует много особенностей конструкции, связанных с пассивным солнечным охлаждением. Это основной элемент проектирования здания с нулевым уровнем энергии в жарком климате.
Солнечные системы охлаждения с использованием концентрационных коллекторов
Основными причинами использования концентрационных коллекторов в солнечных системах охлаждения являются: высокоэффективное кондиционирование воздуха путем соединения с охладителями двойного/тройного действия; и солнечное охлаждение, обслуживающее конечных потребителей промышленности, возможно в сочетании с технологическим теплом и паром. Что касается промышленных применений, то в нескольких исследованиях, проведенных в последние годы, было подчеркнуто, что существует большой потенциал для охлаждения (температуры ниже 0 °C) в различных районах земного шара (например, Средиземноморье, Центральная Америка). Однако это может быть достигнуто с помощью охладителей поглощения аммиака/воды, требующих высокой температуры ввода тепла в генератор, в диапазоне (120 ÷ 180 °C), который может быть удовлетворен только с помощью солнечных коллекторов. Кроме того, для нескольких промышленных применений требуется охлаждение и пар для процессов, и концентрационные солнечные коллекторы могут быть очень выгодными в том смысле, что их использование максимально
Здания с нулевой энергией
Цели нулевого энергопотребления зданий включают в себя устойчивые, экологически чистые технологии строительства, которые могут значительно сократить или устранить чистые годовые счета за энергию. Главное достижение - полностью автономное здание, которое не должно быть подключено к коммунальным компаниям. В жарких климатах с значительными днями охлаждения, передовые солнечные кондиционеры будут все более важным критическим фактором успеха.