U okviru tehnologije klimatizacije koju pokreće solarna toplina, apsorpcijsko hlađenje i adsorpcijsko hlađenje predstavljaju dva paralelna glavna razvojna puta. Oba koriste toplinsku energiju koju generiraju solarni kolektori kao pogonski izvor, ali se bitno razlikuju u mehanici termodinamičkog ciklusa, odabiru radne tekućine, arhitekturi sustava i radnim karakteristikama. Razumijevanje ovih razlika bitan je preduvjet za odabir i projektiranje inženjerskih sustava.
1. Temeljna razlika u principima rada
Sunčevo apsorpcijsko hlađenje oslanja se na fizikalno-kemijski odnos otapanja između tekućeg apsorbenta i rashladnog sredstva za pokretanje ciklusa. Rashladno sredstvo se otapa u apsorbentu stvarajući otopinu, koja se zatim zagrijava u generatoru solarnom toplinskom energijom. Rashladno sredstvo isparava i odvaja se, zatim prolazi kroz kondenzaciju, ekspanziju i isparavanje kako bi došlo do hlađenja. Paru rashladnog sredstva pod niskim pritiskom zatim ponovno apsorbira apsorbent, čime se završava puni ciklus. Cijeli proces odvija se kontinuirano između tekuće i parne faze — to je a steady-state kontinuirani ciklus .
Solarno adsorpcijsko hlađenje koristi svojstva fizičke adsorpcije i toplinske desorpcije čvrstog adsorbensa za pokretanje ciklusa. Adsorbent hvata pare rashladnog sredstva na niskim temperaturama, stvarajući učinak hlađenja. Solarna toplinska energija zatim zagrijava adsorbent, uzrokujući desorpciju — para rashladnog sredstva se oslobađa, ulazi u kondenzator i pretvara se u tekućinu za regeneraciju. Budući da kruti adsorbenti ne mogu kontinuirano teći kao tekućine, adsorpcija i desorpcija se izmjenjuju unutar istog adsorpcijskog sloja. Ovo je isprekidani kvazistatički ciklus .
Ova temeljna razlika pokreće razlike između dva tipa sustava u smislu kontinuiteta rada, strukture opreme i metodologije upravljanja.
2. Usporedba procesa termodinamičkog ciklusa
Četverostupanjski ciklus solarnog apsorpcijskog hlađenja
Standardni termodinamički ciklus solarno apsorpcijskog rashladnog sustava sastoji se od četiri osnovna procesa:
Generacija: Razrijeđena otopina u generatoru zagrijava se solarnom toplom vodom — obično oko 80°C do 100°C za sustave s jednim učinkom. Rashladno sredstvo isparava, a koncentracija otopine raste stvarajući koncentriranu otopinu.
Kondenzacija: Para rashladnog sredstva pod visokim pritiskom ulazi u kondenzator, otpušta toplinu vodi ili zraku za hlađenje i pretvara se u tekuće rashladno sredstvo pod visokim pritiskom.
Isparavanje: Tekuće rashladno sredstvo prolazi kroz ekspanzijski ventil, pada tlak i ulazi u isparivač. Pod uvjetima niskog tlaka i niske temperature, apsorbira toplinu i isparava — ovo je temeljna faza u kojoj sustav proizvodi svoj učinak hlađenja.
Apsorpcija: Para rashladnog sredstva pod niskim pritiskom ulazi u apsorber, gdje ju apsorbira koncentrirana otopina dok istovremeno otpušta toplinu rashladnom mediju. Otopina se ponovno razrjeđuje, pumpa otopine stavlja pod tlak i vraća u generator kako bi se dovršio ciklus.
U sustavima litij bromid-voda voda služi kao rashladno sredstvo, a litij bromid kao upijač. Ciklus radi pod uvjetima negativnog tlaka, s minimalnom temperaturom hlađenja iznad 0°C, što ga čini prikladnim za rad klima uređaja. Sustavi amonijak-voda koriste amonijak kao rashladno sredstvo i mogu postići temperature hlađenja ispod nule, nudeći širi raspon primjene - iako po cijenu viših radnih tlakova sustava i strožih zahtjeva za brtvljenjem.
Dvokrevetni izmjenični ciklus solarnog adsorpcijskog hlađenja
Standardni adsorpcijski rashladni sustav koristi dva adsorpcijska sloja koji rade naizmjenično za isporuku gotovo kontinuiranog rashladnog učinka:
Faza adsorpcije-hlađenja: Jedan adsorpcijski sloj održava se na niskoj temperaturi. Čvrsti adsorbent - obično silikagel - kontinuirano adsorbira pare rashladnog sredstva iz isparivača. Rashladno sredstvo isparava pod uvjetima niskog tlaka i niske temperature unutar isparivača, apsorbirajući toplinu i proizvodeći hlađenje.
Faza zagrijavanja-desorpcije: Solarna topla voda zagrijava zasićeni adsorpcijski sloj. Kako temperatura adsorbensa raste, velike količine para rashladnog sredstva se desorbiraju i otpuštaju u kondenzator, gdje se pretvaraju u tekućinu. Tekuće rashladno sredstvo se zatim ekspandira i vraća u isparivač, pripremajući sustav za sljedeći ciklus adsorpcije.
Proces povrata topline: Visokoučinkoviti adsorpcijski sustavi uključuju regenerator topline koji izmjenjuje toplinsku energiju između visokotemperaturnog sloja koji prolazi kroz desorpciju i niskotemperaturnog sloja u fazi adsorpcije. Time se smanjuju ukupni zahtjevi za unosom topline i poboljšava COP. Dizajn povrata topline jedna je od ključnih strategija optimizacije učinkovitosti u adsorpcijskim rashladnim sustavima.
Interval prebacivanja između dva izmjenična kreveta obično je između nekoliko minuta i nekoliko desetaka minuta. Učinak hlađenja pokazuje određeni stupanj fluktuacije tijekom prebacivanja — karakteristična radna karakteristika koja izdvaja adsorpcijske sustave od kontinuiranog ciklusa apsorpcijskih sustava.
3. Temperatura vožnje i usklađivanje solarnog kolektora
Temperatura pogonskog izvora topline jedan je od najkritičnijih parametara pri odabiru sustava klimatizacije koji pokreće solarna toplina.
Sunčevo apsorpcijsko hlađenje zahtijeva relativno višu pogonsku temperaturu. Minimalna radna temperatura za rashlađivač litij bromida s jednostrukim učinkom je približno 75°C do 80°C, dok jedinice s dvostrukim učinkom zahtijevaju 150°C ili više. Stabilan rad obično zahtijeva vakuumske cijevne kolektore ili koncentrirajuće kolektore kao što su složeni parabolični koncentratori (CPC). Više temperature pri vožnji povećavaju tlak isparavanja u generatoru i poboljšavaju učinkovitost ciklusa. Sustavi s dvostrukim učinkom postižu COP od 1,0 do 1,2, što je značajno više od sustava s jednim učinkom od 0,6 do 0,8.
Solarno adsorpcijsko hlađenje radi u nižem rasponu pogonske temperature. Radni par silika gel-voda učinkovito funkcionira na 60°C do 85°C, izravno se podudarajući s radnim temperaturnim rasponom ravnih solarnih kolektora — nije potrebna oprema za skupljanje na visokim temperaturama. Ova karakteristika daje adsorpcijskim sustavima veću prilagodljivost u regijama s umjerenim zračenjem ili tijekom zimskog rada. Radni par zeolit-voda zahtijeva nešto višu pogonsku temperaturu od 100°C do 200°C, ali postiže potpuniju desorpciju, što ga čini prikladnim za primjene s izvorima topline veće kvalitete. Radni par aktivni ugljen-metanol može se pokretati na temperaturama od čak 50°C do 80°C, iako toksičnost i zapaljivost metanola nameću zahtjevnije zahtjeve za brtvljenje i sigurnosni dizajn.
4. COP sustava i performanse energetske učinkovitosti
Pod jednakim uvjetima solarnog sakupljanja, dvije vrste sustava pokazuju mjerljive razlike u energetskoj učinkovitosti.
Jednostruki apsorpcijski rashladni uređaji s litijevim bromidom obično postižu toplinski COP od 0,6 do 0,8, dok jedinice s dvostrukim učinkom mogu premašiti 1,0. Međutim, sustavi s dvostrukim učinkom zahtijevaju znatno veće kolektorske nizove i veća ulaganja u pomoćnu opremu. Ukupni solarni COP — uzimajući u obzir učinkovitost kolektora — pada u rasponu od 0,3 do 0,5.
Adsorpcijski sustavi silika gel-voda obično isporučuju toplinski COP od 0,4 do 0,6, niži od apsorpcijskih sustava. Međutim, budući da su kompatibilni s niskotemperaturnim ravnim kolektorima, učinkovitost kolektora je relativno visoka, a ukupna iskorištenost solarne energije usporediva je s apsorpcijskim sustavima s jednim učinkom. Uvođenje naprednih adsorbirajućih materijala — uključujući AQSOA zeolit i metal-organske okvirne (MOF) materijale — postupno smanjuje COP jaz. Neki laboratorijski rezultati s ovim materijalima već su premašili 0,8.
5. Struktura sustava i karakteristike održavanja
Solarni apsorpcijski rashladni sustavi uključuju više komponenti uključujući pumpu otopine, generator, apsorber, kondenzator, isparivač i izmjenjivač topline. Arhitektura sustava je relativno složena, sa strogim zahtjevima za čistoću radne tekućine i nepropusnost sustava. Otopina litijeva bromida nosi rizik od kristalizacije i korozije pri visokim temperaturama ili nakon kontakta sa zrakom, zahtijevajući periodično praćenje koncentracije i nadopunu inhibitora korozije. Održavanje zahtijeva kvalificirano tehničko osoblje.
Solarni adsorpcijski rashladni sustavi izgrađeni su oko čvrstih adsorpcijskih slojeva kao svojih osnovnih komponenti. Ne postoji krug pumpanja tekuće radne tekućine, a sustav ne sadrži pokretne dijelove osim ventilatora za hlađenje. To rezultira strukturno jednostavnim, mehanički pouzdanim sustavom s niskim stopama kvarova i minimalnim opterećenjem održavanja. Kompromis je u tome što je volumen adsorpcijskog sloja relativno velik — težina sustava i otisak su obično veći od apsorpcijskih jedinica ekvivalentnog kapaciteta hlađenja. Ograničenja prostora moraju se pažljivo procijeniti u fazi planiranja projekta.
6. Scenariji primjene i inženjerski slučajevi korištenja
Solarni apsorpcijski rashladni uređaji s litijevim bromidom imaju uspostavljenu evidenciju u velikim komercijalnim zgradama, hotelima, bolnicama i industrijskim postrojenjima. Komercijalno dostupni proizvodi imaju rashladne kapacitete od nekoliko desetaka kilovata do nekoliko megavata. U kombinaciji s centraliziranim poljima solarnih kolektora, ovi sustavi mogu isporučiti opskrbu daljinskim hlađenjem i trenutno predstavljaju dominantnu tehnologiju u projektima solarnog daljinskog hlađenja.
Solarni adsorpcijski klima-uređaji prikladniji su za male i srednje zgrade, distribuirane rashladne aplikacije i slučajeve upotrebe koji daju prednost pouzdanosti sustava i malom održavanju — kao što su telekomunikacijske bazne stanice i medicinske ustanove na lokacijama izvan mreže. Kako performanse upijajućeg materijala nastavljaju napredovati, a troškovi sustava padaju, konkurentnost solarne adsorpcijske klimatizacije u stambenim i malim komercijalnim primjenama stalno raste.
Tehnologije hlađenja solarne apsorpcije i solarne adsorpcije zauzimaju različita i komplementarna mjesta unutar šireg tržišta solarnih klima uređaja. Odabir između to dvoje u konačnici je određen dostupnom kvalitetom solarnih resursa, opsegom opterećenja zgrade, prostornim uvjetima i ukupnom strukturom troškova životnog ciklusa svakog specifičnog projekta.
