Na Strojníckej fakulte STU v Bratislave sa vedecký tím pod dohľadom pána docenta Masaryka, z Ústavu energetických strojov a zariadení, dlhodobo venuje téme energetickej uďržateľnosti.
Tento článok je venovaný téme priamej výroby klimatizačného chladu zo solárneho tepla najmä pre účely klimatizovania veľkých obytných, administratívnych alebo výrobných budov. Zariadenie je kombináciou plochých reflexných solárných kolektorov ako zdroja pohonného tepla a kedysi hojne používaného ejektorového chladenia. Jednoduchosť a spoľahlivosť sú hlavné atribúty tohto typu chladiaceho systému. Teplo vyrobené v popisovanom Fresnelovom solárnom systéme je možné tiež akumulovať pre prípad prevádzky s nízkym alebo nulovým slnečným svitom alebo ho tiež využiť na vykurovacie alebo priemyselné účely.
Ako je známe, potreba chladiacich výkonov najmä pre účely klimatizácie sa vo veľkých budovách spravidla pohybuje od niekoľko sto kW až po MW úroveň, čo predstavuje značnú záťaž pre elektrickú sieť i financie užívateľa. Moderné budovy, najmä administratívne, majú veľmi často stavebnú formu „sklenených palácov“ a bez mohutnej klimatizačnej strojovne sú v letných mesiacoch v podstate neobývateľné.
Preto je výhodné využiť na výrobu chladu priamo lacné teplo, či už solárne, odpadové alebo iné (ak je k dispozícii).
Na výrobu chladu priamo z tepla je možné, povedľa všeobecne známych, ale pomerne komplikovaných absorbčných chladiacich/klimatizačných zariadení, použiť aj veľmi zaujímavé a znovu moderné ejektorové chladiace zariadenia kombinované s Fresnelovými solárnymi panelmi. Ejektorové chladiace zariadenia sú jednoduché, spoľahlivé a lacné - a bez drahých pohyblivých mechanických častí ako sú kompresory. Sú vynikajúcou alternatívou pre výrobu klimatizačného chladu všade tam, kde je relatívne dostatok miesta a tepla (stačí teplo o nízkej teplote), čo je prípad väčšiny striech. V kombinácii s Fresnelovými solárnymi kolektormi, ktoré predstavujú jednoduchý a lacný spôsob ako koncentrovať slnečné žiarenie (bez potreby drahých parabolických koncentrických kolektorov) dostávame lacný a prevádzkovo spoľahlivý klimatizačný systém, ktorý dokáže počas mesiacov s vysokým slnečným žiarením pokryť celú alebo podstatnú časť potreby klimatizačného chladu v budovách.
POPIS SYSTÉMU
Predmetné zariadenie pozostáva z dvoch hlavných častí :
- Fresnelových slnečných kolektorov – zdroj tepla
- Ejektorového chladiaceho systému, ktorý vyrába chlad z tepla
Základom Fresnelových kolektorov sú vyleštené rovinné plechy s jednoduchým osovým natáčaním v horizontále (riadiaci systém nie je zložitý), ktoré odrážajú slnečné žiarenie na absorbér. Absorbér je sklenená alebo iná priehľadná rúra pod odrazovou strieškou.
Ejektorový chladiaci systém pozostáva predovšetkým zo sústavy troch doskových tepelných výmenníkov, jediný náročnejší komponent je dýza (ejektor), v ktorej sa Venturiho efektom vytvára podtlak. Podtlak v dýze je schopný vysávať pracovnú látku z výparníka a tak vytvára onen tlakový rozdiel aký vytvára v klasických chladiacich strojoch kompresor.
Ejektory ako technické zariadenia nie sú novinkou, sú známe viac ako poldruha storočia a pred nástupom kompresorového chladenia boli hojne využívané v chladiacej technike i v parných strojoch ako čerpadlá. Majú nižší chladiaci faktor (účinnosť) ako kompresorové chladiace systémy, ale majú obrovskú výhodu v tom, že hlavná pohonná energia je teplo, nie elektrická energia. Dôležité tiež je, že prehrievacie teploty v generátore pary nemusia byť veľmi vysoké, pri vhodných chladivách v obehu postačujú teploty nad 90°C.
APLIKÁCIE, VÝHODY, NEVÝHODY
Práve budovy predstavujú vhodnú aplikačnú oblasť pre tento druh chladiacej a klimatizačnej techniky. Strechy budov poskytujú spravidla dostatok priestoru pre inštaláciu Fresnelových slnečných kolektorov, ktoré pomerne jednoducho zachytávajú a koncentrujú dopadajúce slnečné žiarenie. Riadiaci systém natáčania panelov podľa polohy slnka je jednoduchý, keďže ide o jednoduché otáčanie rovinných plôch (lesklý plech) okolo jednej horizontálnej osi. Veľkou prevádzkovou výhodou plochých natáčavých kolektorov je možnosť servisného sklopenia do rovinnej polohy pre prípad búrok a pre čistiace práce.
Samotný ejektorový chladiaci stroj je skladačka známych komponentov - potrebné sú doskové výmenníky tepla, obehové čerpadlo, škrtiaci ventil a - samotný ejektor, čo je vhodne usporiadaná dýza. Jedná sa teda v podstate o skladačku zo známych komponentov. Jediný technologicky náročnejší komponent je práve ejektor, aj tento je však možné vyrobiť na štandardných obrábacích strojoch. Výpočet ejektorov nepatrí k bežným znalostiam tepelných a chladiarenských inžinierov, pre realizáciu tohto systému je preto vhodné mať k dispozícii sadu vypočítaných a prípadne aj vyrobených ejektorov, ktoré budú vhodne nasaditeľné pre typické prípady vyskytujúce sa v praxi. Premenné parametre podľa ktorých sa ejektory navrhujú sú teploty, tlaky, prietoky a rýchlosti pracovných látok, požadované chladiace výkony a s tým súviace potrebné tepelné príkony.
Výhodou je, že predmetný systém je možné v budovách nadimenzovať vždy na konkrétny objekt a potrebné teplo je možné pomerne ľahko akumulovať aj pre nočnú prevádzku alebo pre prípad nižšej slnečnej intenzity. Systém je jednoduchý, spoľahlivý, so zanedbateľnými prevádzkovými nákladmi a potenciálne platí, že by mal byť aj investične nie príliš náročný. Fresnelov solárny systém dokáže dosiahnuť teploty ohrievanej látky až 230°C a je možné ho využiť najmä v prechodnom období i na vykurovacie účely alebo na ohrev vody.
Na strane druhej je zrejmé, že takýto systém je nový resp. znovuobjavený a chladiarenské alebo klima firmy nemajú s nasadzovaním podobných systémov skúsenosti a teda pre komerčné nasadenie zatiaľ nie sú prevádzkové skúsenosti. Je tiež zrejmé, že systém je vhodný pre klimatizačné aplikácie tam, kde je dostatok lacného tepla alebo dostatok priestoru pre jeho získanie - napríklad na strechách cez Fresnelove kolektory. Nie je univerzálnou náhradou klasického kompresorového chladenia.
Ejektorové chladenie v kombinácii s Fresnolovými solárnymi kolektormi, prípadne s inými zdrojmi lacného tepla predstavuje zaújmavú možnosť ekologickej a aj efektívnej výroby klimatizačného chladu z tepla. Téme sa venuje tím na Ústave energetických strojov a zariadení na Strojníckej fakulte STU.
doc. Ing. Michal Masaryk, PhD.
Ing. Peter Mlynár,PhD
Strojnícka fakulta STU Bratislava
Ústav energ. strojov a zariadení
Nám Slobody 17, 812 31 Bratislava
e-mail: michal.masaryk@stuba.sk
Literatúra:
[1] PETRÁŠ, D. a kol: Vykurovanie veľkopriestorových a hal.objektov, Bratislava, Jaga, 2007
[2] STRAKOVÁ, Z.: The Creation of Indoor Climate in Industry Operation. In Modern Environmental Science and Engineering. ISSN 2333-2581, 2015, vol. 1, issue 2, p. 104-110.
[3] FERSTL. K, MASARYK M:, Prenos tepla, Vydavateľstvo STU, 2011, ISBN 978-80-227-3534-6
