Případová studie systému absorpčního solárního chlazení
Článek se zabývá případovou studií systému absorpčního solárního chlazení pro budovu areálu Univerzitního Centra Energeticky Efektivních Budov v Buštěhradě. Tepelná zátěž byla stanovena a analyzována pomocí simulačního softwaru TRNSYS. Na danou zátěž byl navržen systém absorpčního solárního chlazení s využitím reálných výkonnostních charakteristik jednotlivých dílčích částí systému. Systém byl následně optimalizován pro dosažení co nejvyšší účinnosti. Cílem této studie bylo stanovit úspory primární neobnovitelné energie systémem solárního absorpčního chlazení vzhledem ke standardnímu kompresorovému chlazení.
1 Úvod
Směrnice 2010/31/EU o energetické náročnosti budov sekundárně ukládá členským zemím EU snižovat spotřebu energie v sektoru budov a zároveň zvyšovat podíl energie z obnovitelných zdrojů. Zejména je potřeba optimalizovat využívání energie technickými systémy budov, jakými jsou otopné soustavy, systémy pro přípravu teplé vody, klimatizační systémy, rozsáhlé větrací systémy nebo jejich kombinace.
V posledních letech jsme mohli pozorovat výrazný rozvoj tepelně technických vlastností obvodových plášťů budov a systémů zajišťujících stabilní tepelně vlhkostní mikroklima uvnitř budovy v zimním období. Stejně tak je však nezbytné hledat nové způsoby chlazení, jako alternativu k tradičním kompresorovým systémům využívajícím jako hlavní energonositel elektřinu. Jedním z možných řešení může být absorpční solární chlazení.
2 Absorpční solární chlazení
Absorpční chlazení využívá principu absorpčního parního cyklu, při němž je používána dvojice pracovních látek – chladivo a absorbent. Nejčastěji používanými dvojicemi chladiva a absorbentu jsou čpavek/voda nebo voda/bromid lithný. Absorpční cyklus je podobný klasickému kompresorovému cyklu, rozdíl spočívá ve způsobu zvyšování potenciálu pracovní látky. Zatímco klasický kompresorový cyklus využívá ke zvyšování tlaku a teploty chladiva kompresor, v absorpčním cyklu je podobného efektu dosahováno zahříváním roztoku na vysoké teploty a následným vypuzováním chladiva z roztoku.
K provozu absorpčního chlazení je tedy nezbytný zdroj tepelné energie, zajišťující teplotu teplonosné látky kolem 90 až 120 °C. Teplonosnou látkou je obyčejně pára, horká voda nebo spaliny. Z tohoto důvodu se absorpční chlazení používá především tam, kde je během letního období k dispozici velké množství odpadního tepla (průmyslová pára, odpadní teplo kogeneračního zařízení apod.).
V porovnání s kompresorovým chlazením je výhodou absorpčního solárního chlazení, že při absorpčním cyklu je spotřebováváno výrazně méně elektrické energie. Spotřebovávána je pouze energie na provoz oběhových čerpadel – a naopak je využita obnovitelná tepelná energie ze solárních kolektorů. Nevýhodou je obecně nižší účinnost v porovnání s kompresorovým chlazením a s tím spojená vyšší spotřeba tepla s vysokou teplotou teplonosné látky a nutnost zpětného chlazení kondenzátoru, ze kterého je naopak potřeba odvést velké množství tepla o nízkém teplotním potenciálu.
![Obr. 1 Schéma systému absorpčního solárního chlazení [1]](/docu/clanky/0127/012758o1.png)
Obr. 1 Schéma systému absorpčního solárního chlazení [1]
Nedílnou součástí systému absorpčního solárního chlazení jsou rovněž akumulační zásobníky, které vyrovnávají nerovnoměrnost mezi spotřebou a produkcí tepla, resp. chladu. Schéma celého systému je patrné z Obr. 1.
3 Případová studie
Absorpční chladicí systém není v současnosti standardně používán pro chlazení budov v letních měsících, jedná se spíše o výjimečné aplikace. Důvody jsou většinou provozně ekonomického charakteru. Cílem této případové studie je navrhnout systém absorpčního solárního chlazení pro experimentální budovu Univerzitního Centra Energeticky Efektivních Budov (UCEEB) ČVUT v Buštěhradě a optimalizovat jednotlivé komponenty z hlediska hospodárnosti provozu.
3.1 Experimentální budova UCEEB ČVUT v Buštěhradu
Obr. 2 Půdorys 1. NP (vstupní podlaží) s vyznačenou polohou jednotlivých zón
Obr. 3 Podélný řez objektem s vyznačenou polohou jednotlivých zón
Jedná se o objekt se čtyřmi nadzemními a jedním podzemním podlažím. Ve východní části se nacházejí kancelářské prostory, v západní části se nacházejí byty a středem budovy prochází po celé výšce objektu atrium. Hlavní vstup do objektu je z jižní strany a ústí do atria.
Pro potřeby výpočtu tepelné zátěže a návrh chladicího systému byl objekt rozdělen na 7 zón (viz Obr. 2 a Obr. 3). Byty a kanceláře jsou rozděleny na zónu jižní a severní. Samostatnou zónu tvoří atrium, suterén a střešní nástavba.
Tepelná zátěž objektu byla stanovena simulací s 15minutovým krokem pomocí simulačního software TRNSYS s využitím klimatických dat databáze Meteonorm pro Prahu. Při výpočtu tepelné zátěže bylo uvažováno s vnějšími automaticky ovládanými žaluziemi, které se spouštěly při dopadajícím slunečním zářením nad 300 W/m2. V případě, že byly žaluzie spuštěny, bylo uvažováno s korekčním činitelem stínění 0,2. Žaluzie tedy snížily tepelné zisky od slunečního záření o 80 %, naopak bylo uvažováno se zvýšením vnitřních tepelných zisků od osvětlení (viz Tab. 1). V objektu bylo také uvažováno s nočním větráním v případě, že teplota interiéru překračovala 24 °C a vnější teplota byla nižší než 18 °C. Noční větrání bylo přerušeno v případě, že teplota interiéru klesla pod 20,5 °C. Intenzita větrání při nočním větrání byla 1 h−1.
Výše vnitřních tepelných zisků uvažovaných v simulaci je uvedena v Tab. 1.
| Zóna | Osoby [W/osoba] | Osvětlení [W/m2] | Spotřebiče [W/m2] |
|---|---|---|---|
| Kanceláře | 90 | 6 | 4 |
| Byty | 90 | 3 | 1 |
| Atrium | 65 | 1 | 150 |
| Střešní nástavba | – | – | – |
| Suterén | – | 1 | 0,5 |
Obr. 4 Průběh tepelné zátěže v období od 1. května do 1. října.
Plochy jednotlivých funkčních celků a jejich potřeby chladu jsou patrné z Tab. 2. Chlazení bylo uvažováno pouze pro prostory kanceláří, ostatní zóny nebyly chlazeny. Výsledný průběh celkové tepelné zátěže je patrný z Obr. 4. V některých obdobích je tepelná zátěž nulová, neboť teplota vnějšího vzduchu je nižší než teplota interiéru a dochází tak k tepelné ztrátě objektu (prostupem a větráním), která převýší tepelné zisky. V takovýchto obdobích tedy není potřeba budovu chladit strojním chlazením. Maximální hodnoty tepelné zátěže objektu dosahují 24,45 kW a potřeba chladu je 5431 kWh/rok.
| Název zóny | 1. NP [m2] | 2. NP [m2] | 3. NP [m2] | 4. NP [m2] | Celkem [m2] | Počet osob | Qg [kW] | QC,nd [kWh] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Byty jih | 72 | 64 | 64 | 72 | 272 | 10 | 0 | 0 |
| Byty sever | 105 | 94 | 94 | 105 | 398 | 10 | 0 | 0 |
| Kanceláře jih | 150 | 122 | 122 | 122 | 516 | 30 | 9,86 | 2500 |
| Kanceláře sever | 247 | 224 | 224 | 247 | 942 | 35 | 14,59 | 2931 |
| Atrium | 157 | 60 | 60 | 60 | 337 | 2 | 0 | 0 |
| Nástavba střecha | 57 | 0 | 0 | 0 | ||||
| Suterén | 151 | 0 | 0 | 0 | ||||
| Celkem | 2128 | 87 | 24,45 | 5431 |
kde Qg je tepelná zátěž [kW], QC,nd je potřeba energie na chlazení [kWh].
3.2 Návrh systému solárního chlazení
Pro návrh jednotlivých dílčích částí systému absorpčního solárního chlazení byl vytvořen dynamický model pomocí programu TRNSYS pro období 1. května až 1. října s časovým krokem simulace 15 minut. Na tomto modelu je demonstrována možná podoba systému solárního chlazení.
3.2.1 Absorpční chladicí jednotka
![Obr. 5 Výkonové charakteristiky absorpční chladicí jednotky YAZAKI WFC-SC5 [2]](/docu/clanky/0127/012758o9.png)
Obr. 5 Výkonové charakteristiky absorpční chladicí jednotky YAZAKI WFC-SC5 [2]
Zdrojem chladu byla absorpční chladicí jednotka YAZAKI WFC-SC5 s jmenovitým chladicím výkonem 17,6 kW pro teplotu topné látky 88 °C, teplotu chladící vody 31 °C a výstupní teplotu chlazené vody 7 °C. V počítačovém modelu byl výkon jednotky přepočítáván pro každý časový krok simulace podle aktuálních teplot a hmotnostních průtoků jednotlivých teplonosných látek vzhledem ke jmenovitým hodnotám. Přepočet využívá aproximace reálných výkonových charakteristik jednotky, uváděných výrobcem. Závislost chladicího výkonu na provozních podmínkách systému upravuje vztah (1). Funkce závislosti koeficientů výkonových charakteristik jsou znázorněny na Obr. 5.
(1)
kde je
- Qch
- – aktuální chladicí výkon [kW]
- ccf
- – faktor chladicího výkonu [–]
- hmfcf
- – faktor průtoku [–]
- Qch
- – jmenovitý chladicí výkon [kW]
Obr. 6 Stanovení velikosti akumulačního zásobníku chladu podle rozdílu mezi dodávkou a potřebou chladu
Tento zdroj chladu neumožňuje větší modulaci výkonu, proto je vzhledem k návrhovému chladicímu výkonu potřeba akumulovat chlad pro pokrytí odběrových špiček z důvodu optimálního výkonového rozsahu jednotky. Velikost akumulačního zásobníku lze snadno odvodit z rozdílu mezi potřebou a dodávkou chladu. Na Obr. 6 je zobrazena potřeba a dodávka chladu během nejteplejšího simulovaného letního dne pro 21. červen. Během tohoto dne dosahuje tepelná zátěž maximální hodnoty 24,45 kW. Maximální rozdíl mezi potřebou a dodávkou chladu činí 21,91 kWh, což odpovídá velikosti zásobníku 3,71 m3 (rovnice 2) při teplotním spádu chlazené vody 6 K.
(2)
[m3]
kde je
- Vzch
- – velikost zásobníku chladu [m3]
- ΔQmax
- – maximální rozdíl mezi potřebou a dodávkou tepla [kWh]
- Δt
- – teplotní spád chlazené vody [K]
- cw
- – měrná tepelná kapacita vody [kJ/(kg.K)]
- ρ
- – hustota vody [kg/m3]
3.2.2 Solární termické kolektory
Primárním zdrojem tepla pro ohřev vypuzovače absorpční jednotky jsou solární termické kolektory. Pro solární absorpční chlazení je nutné použít kolektory s vysokou výstupní teplotou teplonosné látky. Potřebný počet kolektorů byl stanoven na základě odhadu spotřeby tepla pro výrobu chladu, výkonových charakteristik kolektorů a uvažovaného solárního pokrytí.
![Obr. 7 Křivka účinnosti (vlevo) a optické charakteristiky (vpravo) solárních termických kolektorů THERMICS 30 DTH [3]](/docu/clanky/0127/012758o15.png)
Obr. 7 Křivka účinnosti (vlevo) a optické charakteristiky (vpravo) solárních termických kolektorů THERMICS 30 DTH [3]
Obr. 8 Solární pokrytí v závislosti na ploše apertury kolektorů
V modelu byly použity vakuové trubicové kolektory THERMICS 30 HTH s celkovou plochou kolektoru 4,189 m2 (plocha apertury 2,834 m2). Křivka účinnosti a optické charakteristiky kolektorů udávané výrobcem jsou zobrazeny na Obr. 7. Celkem bylo v modelu použito 23 výše uvedených kolektorů o celkové ploše apertury 55,9 m2. Objem zásobníku otopné vody byl proměnlivý podle celkové plochy solárních kolektorů. Na 1 m2 celkové plochy apertury bylo uvažováno 40 l otopné vody v zásobníku. Tepelné ztráty zásobníku byly závislé na velikosti zásobníku.
Za období 1. května až 1. října, kdy bylo potřeba odvádět z objektu tepelnou zátěž, vyrobila absorpční jednotka 5470 kWh chladu. Potřeba tepla k výrobě chladu byla 6599 kWh, přičemž zisky kolektorů za období 1. května až 1. října činily 6207 kWh a tepelné ztráty rozvody byly 1528 kWh. Celkové využitelné zisky solární soustavy tedy činily 4679 kWh. Zbylá tepelná energie byla dodávána sekundárním zdrojem tepla o výkonu 15 kW. Sekundární zdroj tepla nebyl předmětem návrhu. Celkem bylo sekundárním zdrojem tepla dodáno 1920 kWh tepelné energie. Solární pokrytí bylo tedy 70,9 %. Obr. 8 zobrazuje solární pokrytí v závislosti na ploše apertury kolektorů.
3.2.3 Zpětné chlazení kondenzátoru a absorbéru
U absorpčního cyklu je potřeba odvádět tepelnou energii z kondenzátoru, kde dochází ke kondenzaci vodní páry, a z absorbéru chladicí jednotky, kde dochází k absorpci vodní páry chudým roztokem. Chladicí voda v absorbéru má za úkol ochladit relativně teplejší chudý roztok, jelikož pak dochází k intenzivnější absorpci vody do bromidu lithného. Chladicí voda se připravuje zpravidla v chladicí věži podle potřeby absorpční jednotky.
Do chladicí věže není odváděna pouze energie odebraná chlazené vodě (tepelná zátěž), ale rovněž i energie použitá k ohřevu vypuzovače absorpční jednotky. Vzhledem k velkému množství kondenzačního tepla z absorpční jednotky se přímo nabízí využít chladicí vodu pro předehřev teplé vody, což výrazně sníží potřebu energie pro přípravu teplé vody. V simulaci byla pro přípravu chladicí vody použita zkrápěná chladicí věž s teplotním spádem chladicí vody 30/35 °C při průtoku 11 m3/h, využití kondenzačního tepla nebylo předmětem této případové studie.
3.2.4 Sdílení chladu v chlazené zóně
Chlazená voda má výstupní teplotu z absorpční jednotky kolem 10 až 12 °C, což je ve srovnání s tradičním spádem chlazené vody 6/12 °C s kompresorovým chlazením relativně vysoká teplota. V tomto případě se přímo nabízí využít tento teplotní spád u koncových bezkondenzačních prvků sdílení chladu, např. chladicích stropů, za předpokladu dodržení minimální teploty pro provoz bezkondenzačních koncových prvků.
3.3 Výsledné parametry systému
| Absorpční chladicí jednotka YAZAKI WFC-SC5 | ||
| Okruh chlazené vody: | Chladicí výkon | 17,6 kW |
| Průtok | 3,3 m3/h | |
| Teplotní spád | 12,5/7 °C | |
| Okruh topné vody: | Topný výkon | 25,1 kW |
| Průtok | 5,2 m3/h | |
| Teplotní spád | 88/73 °C | |
| Okruh chladicí vody: | Chladicí výkon | 42,7 kW |
| Průtok | 11,0 m3/h | |
| Teplotní spád | 31/35 °C | |
| Akumulační zásobník chlazené vody | ||
| Objem zásobníku: | 3,7 m3 | |
| Tepelný tok povrchem zásobníku: | 4,38 W/K | |
| Akumulační zásobník topné vody | ||
| Objem zásobníku: | 2,2 m3 | |
| Tepelný tok povrchem zásobníku: | 2,79 W/K | |
| Solární vakuové trubkové kolektory THERMICS 30 HTH | ||
| Počet kolektorů: | 23 ks | |
| Celková plocha kolektorů: | 96,3 m2 | |
| Celková plocha apertury kolektorů: | 55,9 m2 | |
V Tab. 3 jsou shrnuty parametry jednotlivých částí systému.
3.4 Hodnocení účinnosti systému
Absorpční solární chlazení je systém využívající k produkci chladu elektřinu a teplo. U tohoto systému tedy lze snadno stanovit jeho účinnost například pomocí chladicího faktoru EER, který vyjadřuje pouze poměr mezi vyrobeným množstvím chladu a spotřebovanou energií. Tab. 4. shrnuje dílčí vypočtené spotřeby energie pro výrobu 5470 kWh chladu. Celkový elektrický příkon systému byl uvažován 976 W, jako doplňkový zdroj tepla byl uvažován plynový kotel.
Díky velkému výkonu absorpční chladicí jednotky a velkému akumulačnímu objemu bylo chladící zařízení v provozu pouze v krátkých několikahodinových intervalech, kdy docházelo k vychlazování zásobníku chladu, který pak byl používán v průběhu dne k chlazení budovy. Celková spotřeba elektrické energie byla tedy 358 kWh. Poměr vyrobeného chladu a dodané elektřiny by pro tento systém byl 15,27; poměr vyrobeného chladu a dodaného tepla by byl oproti původním předpokladům vyšší, konkrétně 0,83.
| Energonositel | Dílčí vypočtená spotřeba energie [kWh/rok] | Faktor celkové primární energie [–] | Faktor neobn. primární energie [–] | Celková primární energie [kWh/rok] | Neobn. primární energie [kWh/rok] |
|---|---|---|---|---|---|
| Energie okolního prostředí | 4679 | 1,0 | 0,0 | 4679 | 0 |
| Zemní plyn | 1920 | 1,1 | 1,1 | 2112 | 2112 |
| Elektřina | 358 | 3,2 | 3,0 | 1147 | 1074 |
| Celkem | 6957 | 7938 | 3186 |
4 Závěr
Řešená případová studie ukazuje potenciál využití alternativního chladicího systému pro experimentální budovu univerzitního centra z pohledu snížení spotřeby primární energie a využití obnovitelných zdrojů.
Pokud bychom uvažovali standardní systém kompresorového chladicího zařízení s průměrným chladicím faktorem 3,05, spotřeba elektrické energie na výrobu chladu by byla 1793 kWh/rok. Z hlediska spotřeby neobnovitelné primární energie spotřebuje standardní systém kompresorového chlazení 5380 kWh/rok, absorpční chladicí systém pouze 3186 kWh/rok.
Absorpční solární chlazení je jednou z mnoha alternativ ke kompresorovému chlazení, kterým lze snížit energetickou náročnost budov ve smyslu současné legislativy, ale i ve smyslu dodané/koupené energie do budovy. Jeho využití je přínosné především u budov s velkou produkcí odpadního tepla (např. průmyslové objekty) a také u budov s vysokým odběrem teplé vody (např. hotely), kde lze využít kondenzační teplo z chladicí jednotky pro předehřev teplé vody.
Tento článek vznikl za podpory projektu SGS14/118/OHK1/2T/11.Literatura
- [1] FLORIDES G. A., KALOGIROU S. A., TASSOU S. A., WROBEL. Modelling and simulation of an absorption solar cooling system for Cyprus. Solar energy, Vol. 72: 43–51, 2002.
- [2] Yazaki Energy, Inc. Water fired single-effect chillers and chiller-heaters performance characteristics, aktualizováno 30. 12. 2013. Dostupné z: http://www.yazakienergy.com/waterfiredperformance.htm.
- [3] Institut für solartechnik. Thermics 30 HTH solar collector factsheet, aktualizováno 27. 5. 2013. Dostupné z: http://solarenergy.ch/fileadmin/daten/reportInterface/kollektoren/factsheets/scf1047en.pdf
- [4] Thermal Energy System Specialists, LLC [Program]. TRNSYS pro Windows verze 16.01. Aktualizace z 1. 5. 2006.
This paper shows a case study of absorption solar cooling system for experimental building of University Centre of Energy Efficient Building in Buštěhrad. Heat loads were determined and analyzed using TRNSYS simulation software. The real performance characteristics of separate system parts was used for design of absorption solar cooling system which covers building heat loads. System was optimized to achieve highest possible efficiency. Main aim of this study was to determine savings of primary non-renewable energy compared to standard compression cooling.