Absorpční chlazení a adsorpční chlazení představují v rámci technologie solárně termické klimatizace dvě paralelní hlavní vývojové cesty. Oba využívají jako hnací zdroj tepelnou energii generovanou solárními kolektory, přesto se zásadně liší v mechanice termodynamického cyklu, výběru pracovní tekutiny, architektuře systému a provozních charakteristikách. Pochopení těchto rozdílů je základním předpokladem pro výběr a návrh inženýrského systému.
1. Základní rozdíl v pracovních principech
Sluneční absorpční chlazení spoléhá na fyzikálně-chemický rozpouštěcí vztah mezi kapalinovým absorbentem a chladivem, které řídí cyklus. Chladivo se rozpustí v absorbentu za vzniku roztoku, který je následně ohříván v generátoru solární tepelnou energií. Chladivo se vypařuje a odděluje, poté podléhá kondenzaci, expanzi a odpařování za účelem chlazení. Nízkotlaké páry chladiva jsou následně absorbentem znovu absorbovány, čímž se dokončí celý cyklus. Celý proces probíhá nepřetržitě mezi kapalnou a parní fází — to je a kontinuální cyklus v ustáleném stavu .
Solární adsorpční chlazení využívá fyzikální adsorpční a tepelné desorpční vlastnosti pevného adsorbentu k pohonu cyklu. Adsorbent zachycuje páry chladiva při nízkých teplotách a vytváří chladivý efekt. Solární tepelná energie pak ohřívá adsorbent, což způsobuje desorpci – pára chladiva se uvolňuje, vstupuje do kondenzátoru a zkapalňuje se pro regeneraci. Protože pevné adsorbenty nemohou proudit nepřetržitě jako kapaliny, adsorpce a desorpce se střídají ve stejném adsorpčním loži. Toto je přerušovaný kvazistatický cyklus .
Tento základní rozdíl vede k rozdílům mezi těmito dvěma typy systémů, pokud jde o provozní kontinuitu, strukturu zařízení a metodologii řízení.
2. Porovnání termodynamického cyklu
Čtyřstupňový cyklus solárního absorpčního chlazení
Standardní termodynamický cyklus solárního absorpčního chladicího systému se skládá ze čtyř hlavních procesů:
generace: Zředěný roztok v generátoru je ohříván solární horkou vodou – typicky kolem 80 °C až 100 °C u jednočinných systémů. Chladivo se odpaří a koncentrace roztoku se zvýší a vytvoří koncentrovaný roztok.
Kondenzace: Páry vysokotlakého chladiva o vysoké teplotě vstupují do kondenzátoru, uvolňují teplo do chladicí vody nebo vzduchu a zkapalňují se na vysokotlaké kapalné chladivo.
Odpařování: Kapalné chladivo prochází expanzním ventilem, klesá tlak a vstupuje do výparníku. V podmínkách nízkého tlaku a nízké teploty absorbuje teplo a odpařuje se – to je základní fáze, kde systém vytváří svůj chladicí efekt.
Absorpce: Nízkotlaké páry chladiva vstupují do absorbéru, kde jsou absorbovány koncentrovaným roztokem a současně uvolňují teplo do chladicího média. Roztok se znovu zředí, natlakuje čerpadlem roztoku a vrátí se do generátoru, aby se cyklus dokončil.
V systémech bromid lithný-voda slouží voda jako chladivo a bromid lithný jako absorbent. Cyklus funguje za podmínek podtlaku, s minimální teplotou chlazení nad 0 °C, takže je vhodný pro provoz klimatizace. Systémy čpavek-voda používají čpavek jako chladivo a mohou dosáhnout chladících teplot pod nulou, čímž nabízejí širší rozsah použití – i když za cenu vyšších provozních tlaků systému a přísnějších požadavků na těsnění.
Dvoulůžkový střídavý cyklus solárního adsorpčního chlazení
Standardní adsorpční chladicí systém využívá dvě adsorpční lůžka fungující střídavě, aby poskytovaly téměř nepřetržitý chladicí výkon:
Adsorpční fáze chlazení: Jedno adsorpční lože se udržuje na nízké teplotě. Pevný adsorbent – typicky silikagel – nepřetržitě adsorbuje páry chladiva z výparníku. Chladivo se odpařuje za podmínek nízkého tlaku a nízké teploty uvnitř výparníku, absorbuje teplo a ochlazuje.
Fáze ohřev-desorpce: Solární horká voda ohřívá nasycené adsorpční lože. Když teplota adsorbentu stoupá, velká množství par chladiva se desorbují a uvolňují do kondenzátoru, kde zkapalňují. Kapalné chladivo je poté expandováno a vráceno do výparníku, čímž se systém připravuje na další adsorpční cyklus.
Proces rekuperace tepla: Vysoce výkonné adsorpční systémy obsahují tepelný regenerátor, který vyměňuje tepelnou energii mezi vysokoteplotním ložem procházejícím desorpcí a nízkoteplotním ložem v adsorpční fázi. To snižuje celkové požadavky na přívod tepla a zlepšuje COP. Návrh rekuperace tepla je jednou z klíčových strategií optimalizace účinnosti v adsorpčních chladicích systémech.
Interval přepínání mezi dvěma střídavými lůžky je typicky mezi několika minutami a několika desítkami minut. Chladicí výkon vykazuje určitý stupeň kolísání během spínání – výrazná provozní charakteristika, která odlišuje adsorpční systémy od nepřetržitého cyklu absorpčních systémů.
3. Teplota jízdy a přizpůsobení solárního kolektoru
Teplota zdroje tepla je jedním z nejkritičtějších parametrů při výběru solárního tepelného klimatizačního systému.
Solární absorpční chlazení vyžaduje relativně vyšší provozní teplotu. Minimální provozní teplota pro jednočinný chladič bromidu lithného je přibližně 75 °C až 80 °C, zatímco dvoučinné jednotky vyžadují 150 °C nebo více. Stabilní provoz obvykle vyžaduje evakuované trubicové kolektory nebo koncentrační kolektory, jako jsou složené parabolické koncentrátory (CPC). Vyšší provozní teploty zvyšují vypařovací tlak v generátoru a zlepšují účinnost cyklu. Systémy s dvojím účinkem dosahují COP 1,0 až 1,2, což je významně vyšší hodnota než u systémů s jedním účinkem 0,6 až 0,8.
Solární adsorpční chlazení funguje v nižším rozsahu provozních teplot. Pracovní pár silikagel-voda funguje efektivně při 60°C až 85°C, přímo odpovídá rozsahu provozních teplot plochých solárních kolektorů – není potřeba žádné vysokoteplotní sběrné zařízení. Tato vlastnost poskytuje adsorpčním systémům větší přizpůsobivost v oblastech se středním ozářením nebo během zimního provozu. Pracovní pár zeolit-voda vyžaduje mírně vyšší provozní teplotu 100 °C až 200 °C, ale dosahuje úplnější desorpce, takže je vhodný pro aplikace s vyšší kvalitou zdroje tepla. Pracovní pár aktivní uhlí-metanol lze provozovat při teplotách od 50 °C do 80 °C, ačkoli toxicita a hořlavost metanolu klade náročnější požadavky na těsnění a bezpečnost.
4. Systém COP a energetická účinnost
Za ekvivalentních podmínek solárního sběru vykazují dva typy systémů měřitelné rozdíly v energetické náročnosti.
Jednoúčinné absorpční chladiče bromidu lithného obvykle dosahují tepelného COP 0,6 až 0,8, zatímco dvouúčinné jednotky mohou překročit 1,0. Systémy s dvojitým účinkem však vyžadují podstatně větší kolektorová pole a vyšší investice do pomocného zařízení. Celkový solární COP – zohledňující účinnost kolektorů – se pohybuje v rozmezí 0,3 až 0,5.
Adsorpční systémy silikagel-voda obvykle poskytují tepelné COP 0,4 až 0,6, což je nižší než absorpční systémy. Protože jsou však kompatibilní s nízkoteplotními plochými kolektory, účinnost kolektorů je relativně vysoká a celkové využití solární energie je srovnatelné s jednočinnými absorpčními systémy. Zavedení pokročilých adsorpčních materiálů – včetně zeolitu AQSOA a materiálů s kovovou organickou strukturou (MOF) – postupně uzavírá mezeru v COP. Některé laboratorní výsledky s těmito materiály již přesáhly 0,8.
5. Struktura systému a vlastnosti údržby
Solární absorpční chladicí systémy obsahují více komponent včetně čerpadla roztoku, generátoru, absorbéru, kondenzátoru, výparníku a tepelného výměníku. Architektura systému je poměrně složitá, s přísnými požadavky na čistotu pracovní tekutiny a těsnost systému. Roztok bromidu lithného s sebou nese riziko krystalizace a koroze při vysokých teplotách nebo při kontaktu se vzduchem, což vyžaduje pravidelné monitorování koncentrace a doplňování inhibitoru koroze. Údržba vyžaduje kvalifikovaný technický personál.
Solární adsorpční chladicí systémy jsou postaveny na pevných adsorpčních ložích jako jejich hlavních komponentech. Neexistuje žádný čerpací okruh pracovní kapaliny a systém neobsahuje žádné pohyblivé části kromě chladicích ventilátorů. Výsledkem je konstrukčně jednoduchý, mechanicky spolehlivý systém s nízkou poruchovostí a minimálním zatížením údržby. Kompromisem je, že objem adsorpčního lože je relativně velký – hmotnost systému a půdorys jsou obvykle větší než absorpční jednotky s ekvivalentní chladicí kapacitou. Prostorová omezení musí být pečlivě posouzena ve fázi plánování projektu.
6. Aplikační scénáře a technické případy použití
Lithiumbromidové solární absorpční chladiče mají zavedenou historii ve velkých komerčních budovách, hotelech, nemocnicích a průmyslových zařízeních. Komerčně dostupné produkty pokrývají chladicí kapacity od desítek kilowattů do několika megawattů. V kombinaci s centralizovanými solárními kolektorovými poli mohou tyto systémy dodávat chlazení na místní úrovni a v současnosti představují dominantní technologii v projektech solárního dálkového chlazení.
Klimatizační jednotky se solární adsorpcí jsou vhodnější pro malé a středně velké budovy, aplikace distribuovaného chlazení a případy použití, které upřednostňují spolehlivost systému a nízkou údržbu – jako jsou základnové stanice telekomunikací a zdravotnická zařízení v lokalitách mimo síť. Vzhledem k tomu, že se výkonnost adsorpčních materiálů neustále zlepšuje a systémové náklady klesají, konkurenceschopnost solární adsorpční klimatizace v obytných a malých komerčních aplikacích neustále roste.
Technologie solární absorpce i solární adsorpční chlazení zaujímají odlišné a vzájemně se doplňující pozice na širším trhu solárních klimatizací. Výběr mezi těmito dvěma je nakonec určen dostupnou kvalitou solárních zdrojů, měřítkem zatížení budovy, prostorovými podmínkami a celkovou strukturou nákladů životního cyklu každého konkrétního projektu.
