Solarno hlađenje

Hlađenje, tj. klimatiziranje prostorija u uredskim zgradama koristi se radi ugodnosti i učinkovitosti ljudi koji u njima rade. Klimatiziranje je potrebno i zbog tehničkih i higijenskih razloga u prostorijama za elektroničku obradu podataka, laboratorijima i pri skladištenju živežnih namirnica. Ako se u tu svrhu upotrijebe uobičajeni kompresorski rashladni strojevi na električni pogon, u toplim, ljetnim mjesecima dolazi do prevelike potrošnje struje, a time i do perioda vršnih opterećenja što, pak, uzrokuje velike troškove.

Alternativa su koncepti hlađenja koji umjesto električne struje kao pogonsku energiju upotrebljavaju toplinu. Energija potrebna za hlađenje zgrade može se djelomično ili čak u potpunosti, u kombinaciji s termičkim solarnim uređajem, pokriti suncem. Posebna je prednost u tome da nam u mjesecima kada je hlađenje najpotrebnije na raspolaganju stoji i natprosječno velika ponuda sunčeve energije.

Počeci
Jedan od prvih solarnih uređaja za proizvodnju hladnoće instaliran je 2000. godine u Njemačkoj. U tu su svrhu upotrijebili različite postojeće zgrade koje su međusobno bile povezane novogradnjom od stakla dugom 120 m.

Između staklene fasade novogradnje i fasade raspoređene su rashladne baterije, koje rashlađuju unutarnju površinu fasade konvekcijom zraka. Taj sustav hlađenja slobodnom konvekcijom opskrbljuju dva apsorpcijska rashladna stroja ukupne snage hlađenja od 105 kW. Oni svoju pogonsku energiju dobivaju u obliku topline iz jednog solarnoga kolektorskog polja. Kolektorsko polje veličine 240 m2 sastoji se od vakuumskih cijevnih kolektora (Vitosol 200) i instalirano je na krovu novogradnje.

Dva spremnika zapremine po 800 l služe za hidraulično razvezivanje solarnog uređaja i apsorpcijskih rashladnih strojeva. Višak hladnoće proizvedene solarnim načinom može se preko centralne rashladne mreže iskoristiti u drugim dijelovima zgrada. Tu se ubraja i područje obrade podataka, zbog cjelogodišnje potrebe za hladnoćom. Ukoliko se potreba staklene fasade ne može u potpunosti pokriti solarnim uređajem, prisutan je i takozvani „back up-sustav“ s priključkom za opskrbu toplinom na daljinu (toplana). U zimskom polugodištu, kada nije potrebno hlađenje, solarna se toplina koristi za zagrijavanje prostorija.

Postupci hlađenja
Postupak solarnog hlađenja ubraja se među takozvane postupke hlađenja hladnom vodom, kod kojih voda služi za odvođenje topline iz prostorija, tj. područja zgrade i pri tome cirkulira u zatvorenom sustavu. Za solarne procese hlađenja s centralnom tehnikom uređaja u Njemačkoj se trenutno upotrebljavaju dva postupka.

U zatvorenim sustavima rade rashladni strojevi na termički pogon (apsorpcijski ili adsorpcijski rashladni strojevi) za proizvodnju hladne vode. Ta se hladna voda koristi ili za hlađenje – a dijelom i za odvlaživanje – dovodnog zraka, ili se preko mreže hladne vode vodi do decentralnih rashladnih agregata u različite prostorije. Ukoliko je još dodatno potrebno odvlaživanje zraka, potrebne su niske temperature hladne vode za kondenzaciju jednog dijela vodene pare iz zraka.

Kod otvorenih se sustava uvijek radi o ventilacijskim uređajima. Budući da se „rashladno sredstvo“ (ili voda) nalazi u izravnom kontaktu sa zrakom koji treba tretirati, ti se uređaji nazivaju „otvorenim sustavima“.

Za zatvorene odnosno otvorene postupke nude se apsorpcijski i adsorpcijski rashladni strojevi, tj. sorpcijski uređaji za centralnu proizvodnju hladnoće u različitim klasama snage (tabela 1). Važni su kriteriji pri izboru tehnike ciljna temperatura rashladnog sredstva i temperatura isporučitelja topline.

Hoćemo li u solarnom uređaju, koji se upotrebljava za hlađenje, upotrijebiti cijevne ili ravne kolektore posebno, ovisi o potrebnim polaznim temperaturama rashladnoga stroja

Rashladne površine
Postavljanje (polaganje) uređaja na solarni pogon razlikuje se, sa stanovišta potrošnje, od konvencionalnog uređaja za hlađenje zgrade. U simulaciji se istražuje ponašanje uređaja pri rashladnom opterećenju i odgovarajući profil opterećenja zgrade.

Na osnovi toga može se utvrditi veličina rashladnih površina, kao i vrsta i učinak rashladnog stroja. Iz podataka proizvođača rashladnog stroja, tj. sorpcijskog uređaja treba izvaditi potrebne polazne temperature, razupiranje i toplinsku snagu potrebnu za pogon. Za određivanje efektivnog koeficijenta promjene snage (COP: coefficient of performance, odnos trenutnoga rashladnog učinka i prihvaćenoga pogonskog učinka) temperature i razupore moraju na obje strane rashladnog stroja biti poznate, tj. utvrđene.

Za polaganje i optimalno povezivanje solarnog uređaja, te za utvrđivanje potrebnog kapaciteta spremnika kod izračunavanja pomoću simulacije treba paziti na moguće malo raspuštanje (razrješavanje) profila opterećenja. Za dimenzioniranje kolektorskoga polja i pufernog spremnika energija potrebna za hlađenje na strani je potrošnje.

Temperaturna je razupora između polaznog i povratnog voda u solarnom kružnom toku orijentirana na prije zadanu razuporu rashladnog stroja, tako da se preko kolektora ne treba stavljati na raspolaganje nepotrebno visoke polazne temperature. U kolektorskom polju iz toga proizlaze visoke volumenske (prostorne) struje u redu veličina od oko 80 l/(hm2).

Iskustva sakupljena upotrebom uređaja za solarnu klimatizaciju pokazuju da se ipak može bez pločastog prijenosnika topline između kolektorskog polja i pufernog spremnika. Vodeno-glikolna smjesa solarnog kružnog toka direktno se vodi preko pufernog spremnika u rashladni stroj.

Na taj način otpada neizbježan gubitak temperature na pločastom prijenosniku topline. Osim toga, štede se troškovi za prijenosnik topline i optočnu pumpu u sekundarnom kružnom toku. Preduvjeti za to su, između ostalog, da i rashladni stroj, kao i konvencionalni proizvođač topline, za eventualno potrebno dogrijavanje može raditi s vodeno-glikolnom smjesom.

Hoćemo li u solarnom uređaju, koji se upotrebljava za solarno hlađenje, upotrijebiti cijevne ili ravne kolektore, posebno ovisi o potrebnim polaznim temperaturama rashladnog stroja. Budući da su oni u usporedbi sa zagrijavanjem pitke vode, tj. podržavanjem grijanja, visoki (cca 85 do 100°C), u srednjoj se Europi u pravilu koriste vakuumski cijevni kolektori. Oni kod viših razlika između temperature kolektora i okoline, kao i kod difuznog zračenja, pokazuju bolju korisnost od ravnih kolektora. U područjima većeg sunčeva zračenja i viših temperatura okoline mogu se upotrijebiti i ravni kolektori.

Kolektorski uređaj na krovu podružnice tvrtke Viessmann u Madridu sastoji se od 42 ravna kolektora. Da bi se ostvario veći solarni dobitak, svi su ravni kolektori montirani na zajednički okvir koji se može okretati te vremenski prati kretanje sunca. Elektromotori pokreću rotaciju okvira. U osam pufernih spremnika zapremine po 1000 l pohranjuje se solarna energija za apsorpcijski rashladni stroj (104 kW), za podršku grijanju i za zagrijavanje pitke vode.

Rashladni uređaji
Solarna je pokrivna rata mjerilo za procentualan udio sunčeve energije u ukupnoj energetskoj potrebi sustava/uređaja. Kao i kod zagrijavanja pitke vode i podrške grijanja, solarni uređaj u srednjoj Europi za solarno hlađenje, tj. klimatizaciju u pravilu ne može davati cjelokupnu potrebnu energiju u čitavom periodu korištenja. Stoga za rashladne strojeve na termički pogon često u pripremi stoje i konvencionalni proizvođači topline, kao tzv. backup-sustav, za potrebnu dodatnu energiju.

Kod projektiranja za solarno pokrivanje potrebno je uzeti u obzir sljedeće: ako se rashladni proces zbog solarnog uređaja postavi na niske polazne temperature, rashladni stroj radi s nešto lošijom korisnošću. Za pogon solarnog uređaja to je neizostavno. Ako je, pak, solarni uređaj predviđen s malim pokrivanjem, onda se mora, u skladu s tim, više topline proizvedene na uobičajen način (backup-sustav) pretvoriti u hladnoću s relativno malom eficijentnošću. Stoga treba težiti velikom solarnom pokrivanju.

Dosad zbog posebnih zahtjeva još ne stoje na raspolaganju standardizirani koncepti za solarnu klimatizaciju, tako da svaki realizirani uređaj još uvijek moramo razmatrati kao individualan pojedinačni slučaj. Nakon što je širom Europe instalirano preko 50 uređaja, koji su već nekoliko godina uspješno u pogonu, solarna je klimatizacija napustila pilot-fazu i spremna je za pouzdanu tehničku primjenu u zgradama.

Tipovi kolektora
Projektiranje kolektorskog polja treba jako pažljivo obuhvatiti učinak i temperaturno razupiranje cjelokupnog sustava. U osnovi, kolektorsko polje treba biti tako izmjereno da se ljeti ne proizvodi višak topline. Korisna energija, koja se ostvaruje pomoću kolektora, ovisi o više faktora. Bitan utjecaj ima ukupna sunčeva energija koja nam stoji na raspolaganju. Nadalje, važnu ulogu igraju tip kolektora, nagib i usmjerenost kolektora. Za prvo, približno utvrđivanje kolektorske površine može se procijeniti učinkom pojedinačnog kolektora, što je prikazano u sljedećem primjeru:

Korisnost vakumskog cijevnog kolektora tipa Viessmann Vitosol 200 kod temperaturne razlike od 80 K (100°C polazna temperatura, 20°C temperatura okoline) iznosi 62 % (slika 7). Kod zračenja sunca od 800 W/m2 proizlazi specifičan učinak kolektora od oko 500 W/m2.

Za približnu procjenu može se staviti specifična solarna dobit kod izračunate korisnosti kolektora 4,5 do 5 kWh/(m2d). Kod dnevne topline koja se odvodi sa zgrade, od npr. 300 kWh, i koeficijenta promjene snage (COP) rashladnog stroja od 0,7 izračunava se termički pogonski rad od 430 kWh/d. Iz toga proizlazi da kod specifične solarne dobiti od 5 kWh/(m2d) kolektorska površina iznosi 86 m2.

Prikazani primjer predstavlja prvu grubu procjenu, koja služi samo za orijentaciju. Doista, potrebnu kolektorsku površinu treba izračunati uzimanjem u obzir svih utjecajnih faktora (usmjerenost, nagib i tip kolektora, raspoloživo globalno zračenje sunca, itd.). U tu svrhu proizvođači nude odgovarajuće podatke, npr. detaljna uputstva za projektiranje, i besplatne programe za izračunavanje, koji taj posao znatno olakšavaju. Zajedno s točnim izračunavanjem rashladnog opterećenja zgrade, koje se neizostavno mora provesti, možemo dobiti optimalnu kolektorsku površinu.

Sigurnost pogona
Kao što je gore objašnjeno, volumenska struja unutar solarnog uređaja nastaje iz temperaturnog razupiranja, koje zadaje rashladni stroj. Volumenska struja u kolektorskom kružnom toku znatno određuje pogonsko ponašanje solarnog uređaja. Kod istog zračenja, dakle istog kolektorskog učinka, veća volumenska struja znači manje temperaturno razupiranje u kolektorskom kružnom toku. Niska volumenska struja, naprotiv, proizvodi veliko temperaturno razupiranje.

Budući da se veliki solarni uređaji u pravilu sastoje od više paralelno spojenih kolektorskih polja, treba obratiti pažnju i na sigurnost pogona. Pri tome se u uređajima za solarnu klimatizaciju koriste uobičajene visoke volumenske struje za pogonsku sigurnost, jer što je viša volumenska struja, to su sigurnije prostrujeni svi dijelovi polja. Orijentacijske vrijednosti za odgovarajuće volumenske struje mogu se naći u tehničkim podacima proizvođača.

Specifične volumenske struje ravnih, odnosno cijevnih kolektora, variraju ovisno o konstrukciji i proizvođaču. Svaki od kolektora instaliranih u polju mora pokazivati istu specifičnu volumensku struju. Ravnomjerno prostrujavanje kolektorskog polja postiže se spajanjem cijevi prema Tichelmannu. Istom duljinom polaznih i povratnih vodova za sve proizvođače topline približno su isti i hidraulični otpor, a time i volumenska struja, koja protječe kroz njih.

Puferni spremnik u solarnom kružnom toku nije neizostavno potreban. U osnovi dobivena solarna energija može služiti i za proizvodnju viška hladnoće, koja se može međuspremiti na strani potrošnje u ledeni spremnik za kasnije korištenje. Ukoliko solarni kružni tok treba dobiti puferni spremnik, njegova veličina ovisi između ostalog od vremenskog odstupanja između unosa sunčeve energije i potrebe za hladnoćom

Gubici topline
Ulogu igraju i masa zgrade i strategija hlađenja. Tako se npr. može prije dosezanja maksimalne potrebe za hlađenjem temperatura u zgradi sniziti za nekoliko stupnjeva više nego što je potrebno. Na taj se način zidovi kasnije mogu preuzeti više topline. Hladnoća se praktično „pohranjuje“ u zidovima, a puferni se spremnik u solarnom kružnom toku može manje dimenzionirati ili ga se u potpunosti može izostaviti.

Gubici topline kod spremnika ne ovise samo o kvaliteti i debljini toplinske izolacije, nego i o njihovoj veličini. Što je spremnik veći, to je povoljniji odnos između sadržaja i površine. Ako prostorni odnosi to dozvoljavaju, preporuča se jedan jedini spremnik. Ako se, npr. zbog problema s prostorom, umjesto jednog velikog kombinira više manjih pufernih spremnika u sustav, trebalo bi ih spojiti serijski. Pomoću ventila pojedini se spremnici mogu odvojeno puniti.

Budući da je otpor protjecanja u spremnicima, u usporedbi s malim volumenskim strujama, jako mali, neregulirani paralelni spoj spremnika rijetko vodi do zadovoljavajućih pogonskih rezultata. Prema Tichelmannu, i kod spoja se postupkom punjenja i pražnjenja jedva može vladati, što pokazuju mjerenja na odgovarajuće izvedenim uređajima.

Projektiranje kolektorskog polja mora obuhvatiti učinak i temperaturno razupiranje cjelokupnog sustava. U osnovi, kolektorsko polje treba biti tako izmjereno da se ljeti ne proizvodi višak topline

Rashladni strojevi na električni pogon troše puno struje, što se pretežno događa u vrijeme vršnih opterećenja, te zahtijevaju velike priključne vrijednosti i uzrokuju velike pogonske troškove. Apsorpcijski i adsorpcijski rashladni strojevi na termički pogon daju – pored građevinskih mjera – mogućnost za smanjenje potrošnje struje u svrhu proizvodnje hladnoće.

Rashladni strojevi te vrste konstrukcije, koji nam stoje na raspolaganju, uvriježili su se već dugi niz godina u rashladnoj i klimatizacijskoj tehnici, no dosad su uglavnom bili na pogon toplinom dobivenom sagorijevanjem plina ili loživog ulja, a rjeđe toplinom iz toplane (na daljinu).

Rashladni strojevi na termički pogon u kombinaciji s eficijentnim solarnim uređajem predstavljaju zanimljivu opciju za klimatizaciju zgrada. Korištenje solarne energije kao izvora energije za apsorpcijske, tj. adsorpcijske rashladne strojeve štedi primarnu energiju kao i pogonske troškove te kod trenutnog miješanja struja smanjuje emisije CO2.