Kolektory słoneczne służące do podgrzewania wody użytkowej oraz panele fotowoltaiczne wytwarzające energię elektryczną są powszechnie znane. Mniej popularne są natomiast systemy klimatyzacyjne oparte na urządzeniach chłodniczych z bezpośrednim napędem cieplnym, takie jak chłodziarki absorpcyjne, adsorpcyjne, sorpcyjne czy strumienicowe. We współczesnej literaturze naukowej można znaleźć opisy tego typu instalacji eksploatowanych w różnych częściach świata: w Indiach, Tajlandii, Chinach, Korei, Australii, Meksyku, Jordanii, Izraelu i RPA. W Europie, instalacje klimatyzacyjne wykorzystujące napęd solarny spotkać można we Włoszech, Hiszpanii, Niemczech, Austrii, Portugalii, Grecji, Belgii, Danii, Kosowie i na Cyprze.

Na świecie funkcjonują liczne solarne instalacje klimatyzacyjne. Już w 2006 r. w samej Europie znane były 54 instalacje [1], a wg szacunkowych danych w 2008 r. [9] było ich około 200÷300. Wydajność chłodnicza tych systemów wynosi przeważnie 5÷250 kW. Największy z nich, napędzany energią pozyskaną z 850 m2 powierzchni kolektorów słonecznych posiada aż 360 kW wydajności chłodniczej. Na rysunku 2 przedstawiono udział wydajności chłodniczej przypadającej w tego typu systemach na poszczególne kraje. Według danych pochodzących z 2007 r. [2], w instalacjach absorpcyjnych wyraźnie przoduje Hiszpania (46% udziału światowego), następne pozycje przypadają po około 13% instalacjom we Włoszech i w Chinach.

Rys. 1. Instalacja próżniowych kolektorów słonecznych będąca elementem napędu cieplnego dla absorpcyjnego systemu klimatyzacyjnego [7] o wydajności chłodzenia 300 kW, widok na dachu Akademii EURAC w Bolzano, Włochy

Rys. 2. Wydajność chłodnicza solarnych systemów absorpcyjnych, zbudowanych do 2007 r. [2] przypadająca na poszczególne kraje

Temperatura napędowa (…)

Współpraca z kolektorami słonecznymi

Różne poziomy temperatury strony napędowej wymagają zastosowania kolektorów słonecznych o odpowiedniej technologii.

Podstawowy rodzaj kolektorów płaskich bez pokryć selektywnych z prostą izolacją cieplną od strony tylnej można skojarzyć wyłącznie z chłodziarką LiBr o jednym stopniu desorpcji. Uzyskanie wyższej temperatury napędowej wymaga powłok selektywnych na absorberach kolektorów oraz izolacji próżniowych. Technologie te stosuje się współcześnie zarówno w płaskich jak i w rurowych kolektorach słonecznych. Jeszcze wyższe temperatury, przy trójstopniowym układzie desorpcji LiBr wymagają kolektorów nadążnych. Najwyższe wartości temperatury uzyskiwać można wykorzystując kolektory z lustrami skupiającymi typu CPC lub lustrami Fresnela. Kolektory te stanowią główne źródło energii napędowej lub są uzupełnieniem dla instalacji kolektorów płaskich. W wielu instalacjach spotkać można kolektory słoneczne pogrupowane w zespoły o różnych ustawieniach względem kierunków świata, dzięki czemu uzyskuje się równomierniejszy strumień ciepła napędowego w skali doby.

Schemat typowej solarnej instalacji klimatyzacyjnej LiBr przedstawiono na rysunku 6. Centralną częścią systemu jest chłodziarka absorpcyjna LiBr, połączona z trzema instalacjami: strony napędowej, strony chłodzenia pomieszczeń oraz z wieżą wentylatorowo-wyparną. Strona napędowa wymaga stosunkowo dużego zbiornika akumulacyjnego. Dla dużych instalacji jego objętość przekracza często 10 m3. Zadaniem zbiornika jest wyrównywanie chwilowych wahań temperatury cieczy uzyskiwanej z kolektorów słonecznych. Akumulacja zapewnia zaledwie kilkugodzinny zapas energii napędowej – jest to okres stosunkowo krótki. Akumulacja stosowana jest także po stronie instalacji chłodzącej budynek, gdzie również wykorzystuje się zbiornik – przeważnie jednak o mniejszej objętości.

Rys. 6. Schemat solarnej instalacji klimatyzacyjnej LiBr

Przeciętna wartość temperatury po stronie zimnej chłodziarki LiBr to około 7÷10°C. Woda chłodząca transportowana jest do poszczególnych pomieszczeń budynku za pomocą instalacji dwu- lub cztero- rurowej, która może tworzyć rozległy system. Wyparne chłodzenie wieży zrzutowej ciepła pozwala na maksymalne obniżenie temperatury skraplania, z tego powodu jej wartość wynosi przeciętnie od 23 do 30°C. Technologia ta stosowana jest zawsze, gdy temperatury otoczenia przekraczają 35°C.

Instalacje solarne, z powodu swoich niewielkich zdolności do długoterminowej akumulacji ciepła wyposażane są często w dodatkowe systemy napędowe. Najczęstszym rozwiązaniem jest zastosowanie dodatkowego kotła grzewczego np. gazowego. Kocioł ten w okresie letnim stanowi rezerwę na wypadek zbytniego zachmurzenia, a dodatkowo wykorzystywany jest w okresie zimowym do ogrzewania budynku. Oprócz wspomagania strony napędowej, po stronie zbiornika akumulacyjnego zimnej wody chłodzącej montowane są dodatkowe, chłodnicze instalacje sprężarkowe.

Dobowy cykl pracy (…)

Parametry techniczno-ekonomiczne instalacji

W kolektorach słonecznych łatwiejsze do uzyskania są raczej niższe niż wyższe temperatury cieczy napędowej. Wynika to z charakteru procesu wymiany ciepła. Zależnie od tej temperatury niezbędne będą większe lub mniejsze powierzchnie instalacji kolektorów oraz ich wydajności cieplne. Najprostsze w realizacji technicznej będą systemy o niskiej temperaturze napędowej, w tym zwłaszcza omawiane LiBr/LiCl o jednym stopniu desorpcji.

Rys. 9. Struktura kosztów budowy solarnej instalacji klimatyzacyjnej [12]

Na rys. 8 przedstawiono przeciętne powierzchnie jednostkowe kolektorów zasilających dla różnych technologii chłodzenia oraz ich koszty inwestycyjne. Współcześnie stosowane chłodziarki LiBr wymagają stosunkowo małych powierzchni kolektorów, przy równoczesnym zachowaniu małych kosztów inwestycyjnych instalacji. Koszt wykonania tego typu instalacji mieści się pomiędzy 0,25 a 8 tys. Euro/kW wytworzonej wydajności chłodzenia. Koszt ten systematycznie spada, w 2007 r. wynosił jeszcze 5÷8 tys., w instalacjach zbudowanych w 2008 r. już tylko 4,5 tys. Euro/kW. Przeciętnie, dla instalacji LiBr wymagane jest zamontowanie około 3 m2 powierzchni kolektorów słonecznych na każdy kW wydajności chłodzenia. Koszt zakupu i montażu kolektorów słonecznych to główna pozycja w strukturze kosztów typowej instalacji, co zobrazowano na rys. 9 [12]. Koszt chłodziarki to kolejne 20%, który jak widać jest zbliżony do kosztów sterowania, automatyki i monitoringu całości instalacji.

LITERATURA
[1] C.A. BALARAS, H. M. HENNING, E. WIEMKEN, G. GROSSMAN, E.PODESSER, C.A. INFANTE FERREIRA: Solar Cooling, An overview of European applications & design guidelines. ASHRAE Journal 48/2006.
[2] W. SPARBER, A. NAPOLITANO, P. MELOGRANO: Overwiew on world wide installed solar cooling systems. 2nd International Conference Solar Air Conditioning, Tarragona – Spain, October 2007.
[3] P. SRIKHIRIN, S. APHORNRATANA, S. CHUNGPAIBULPATANA: A review of absorption refrigeration technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 5/2001.
[4] C. A. BALARAS, G.GROSSMAN, H. M. HENNING, C.A INFANTE FERREIRA, E.PODESSER, L.WANG, E. WIEMKEN: Solar air conditioning in Europe –.an overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11/2007.
[5] A. SYED, M. IZQUIERDO, P. RODRIGUEZ, G. MAIDMENT, J. MISSENDEN, A. LECUONA, R. TOZER: A novel experimental investigation of a solar cooling system in Madrid. International Journal of Refrigeration, 28/2005.
[6] Best practice catalogue on successful running solar air-conditioning appliances, 2008. http://solair-project.eu
[7] A. TROI, H. FILIPPI, W. SPARBER: Practical experience with solar-assisted cooling in an office and educational building in South Tyrol/Northern Italy. Proc. 1st International Conference on Solar Air Conditioning, Germany, October 2005.
[8] H. E. ZINIAN: Demonstration of a solar absorption air-conditioning system powered by heatpipe evacuated tubular collectors. EuroSun 2000 Congress, Copenhagen, Denmark.
[9] G. GROSSMAN: Solar-powered systems for cooling, dehumidification and air-conditioning. Solar Energy, 72, 1/ 2002.
[10] Solar cooling – using the sun for climatisation. Wuppertal Institute for Climate, Environment and Energy, 3/ 2007. Wisions of Sustainability. http://www.wisions.net
[11] G. GROSSMAN, Review of solar cooling, dehumidification and air conditioning, PARTSEE-5. 2005. Auckland, New Zeland.
[12] J.P. MEYER: What solar cooling costs. Sun & Wind Energy, 1/2008.
[13] D. ZAMBRANO, C. BORDONS, W. GARCIA-GABINA, E. F. CAMACHO: Model development and validation of a solar cooling plant. International Journal of Refrigeration, 31/2008.
[14] www.solarthermalworld.org/node/868
[15] Z. DUNZHI, F. LEI, X. GUANGMING, L. CHAO: Performance and test of a solar air-conditioning system. Proceedings of ISES World Congress, 2007, I-V.