Szent István Egyetem A Nap napja 2016 Hűtés napenergiával (Solar cooling) Szilágyi Attila Jármű- és Mezőgazdasági Géptani Tanszék, Nyíregyházi Egyetem szilagyi.attila@nye.hu Gödöllő, 2016. 06. 12.
A téma időszerűsége és jelentősége A légkondicionáló berendezések nyári villamos energia-igénye a fosszilis hőerőművek leterheltségét okozzák. Cél: a környezetterhelés csökkentése. Lehetőség/alternatíva: napenergiával történő hűtés, légkondicionálás alkalmazása. Előnyei: környezetbarát megoldás (nincs környezetszennyezés), nincs szükség energiatárolásra, csökkenti a költségeinket és az energiafüggőségünket.
Villamos energia fogyasztási csúcsok
Téli villamos energia fogyasztási csúcs
Nyári villamos energia fogyasztási csúcs
Nyári középhőmérsékletek
Téli és nyári villamos energia fogyasztási csúcsok
Globális hatás Világszerte növekszik évről évre az energiafogyasztás a légkondicionáló és hűtő berendezések részéről. A légkondicionálók maximális energiafogyasztása a nyári csúcsidőszakra tehető (peak-load period). Az utóbbi években a villamos energia hálózat kapacitás maximális kihasználását, leterheltségét okozták (áramszünet, blackouts), elsősorban Dél- Európában és máshol a világon. Az eladott légkondicionáló száma napjainkra elérte a személygépkocsi eladások számát.
Légkondicionálók A hagyományos légkondicionálók nagy energiafogyasztásúak (villamos energia) és nem környezetbarát hűtők (hűtőközeg). Hatásuk negatív az ózonrétegre és a globális felmelegedésre: Ozone depletion potential (ODP) Global warming potencial (GWP)
Hűtési rendszerek Aktív hűtési rendszer: villamos energia vagy hőenergia felhasználásával hőátalakítási folyamaton keresztül hűtés biztosítása. Passzív hűtési rendszer: külső energiabevitel nélküli hűtés megvalósítása, pl. árnyékolás, semitransparent glass covers, solar driven ventilation effects. A passzív hűtés az épület szerkezeti kialakításától és a hőszigetelő-képességétől függ.
Hő elvezetése Árnyékolással: természetes (fák, bokrok, futó növények) vagy mesterséges árnyékolással. Napkollektor vagy napelem felületekkel csökkenthető az épület felmelegedése. Fázisváltó anyagok (PCMs: phase-change materials) épületfalban való alkalmazása. Természetes (huzat) vagy mesterséges (ventilátor) levegőmozgatással.
Hűtés napenergiával Lehetőségek: napkollektor + abszorpciós hűtő, napkollektor + adszorpciós hűtő napkollektor + Stirling-motor generátorral és kompresszoros hűtő, napelem + Peltier konverter, napelem + abszorpciós hűtő, napelem + kompresszoros hűtő.
A napenergia hasznosítása Napkollektorokkal (solar thermal collectors), melyekkel hőenergiát nyerünk a napsugárzásból. Napelemekkel (solar photovoltaic panels, PVs), melyekkel villamos energiát termelünk a napsugárzásból.
Napkollektorok típusai 1. Síkkollektor (flat plate collector): egyszerű technológia, jó költség-teljesítmény arány, könnyű telepíthetőség, a hasznosítható hőmérsékleti tartomány 70-120 o C. Vákuumcsöves kollektor (evacuated tube collector): magas hőmérséklet elérhető, jó hatásfok, egymástól független csövek (sérülés esetén könnyen cserélhetőek a csövek), melyek könnyűek, telepítésük könnyű, a dőlésszögre érzékenyek, magas költség, kétféle kialakítása van. 100-150 o C Közvetlen áramlású egy falvastagságú kollektor (Direct flow collector) Közvetlen áramlású dupla falvastagságú kollektor (Heat pipe collector).
Napkollektorok típusai 2. Levegős kollektorok (air collectors): a munkaközeg többnyire levegő, lehet sík- vagy vákuumcsöves kialakítású, egyszerű konstrukció, könnyű telepíthetőség. 30-70 o C Hibrid napkollektor (Photovoltaic thermal collectors, PVT): napelem + síkkollektor. Hő- és villamos energia termelés, max. 50-70 o C Koncentrált napkollektorok (concentrating collectors): magas hőmérséklet, vákuumcsöves kialakítás, magas költség. 90-250 o C Compound parabolic concentrating collectors (CPC) Parabolic trough collectors Linear Fresnel collectors
Szoláris hűtés története 1. 1878. Párizs, az első napenergiával működtett hűtő, ammóniavíz munkaközegű abszorpciós hűtő és parabolikus reflektor jégtömböket készített, ez még egy demonstrációs rendszer volt. 1970-es évek: az első kereskedelemben kapható hűtő és légkondicionáló berendezések megjelenése melyek napenergiával működtek, elsősorban az USA-ban és Európában, Dornier-Prinz Solartechnik, Arkla Industries, Carrier. 1990-es évek: Yazaki, Thermolux által gyártott és telepített szoláris hűtőrendszerek 2000 után: Citrin Solar, Conergy, SolarNext, SOLID, Sol-ution
Szoláris hűtés története 2. Napjainkban: Abszorpciós és adszorpciós hűtők egyaránt kaphatók, a gyártók: SorTech AG, InvenSor GmbH, EAW, Pink, SolabCool, Yazaki, Thermax. A hűtési kapacitásuk jellemzően: 5-35 kw r. Napjainkban körülbelül 1000 nagy méretű napenergiával működtetett hűtési rendszer működik világszerte.
Hűtési technológiák és működtetésük Abszorpciós hűtés: koncentrált napkollektorokkal, vákuumcsöves (és sík-) kollektorokkal (napelemekkel). Adszorpciós hűtés: sík- és (vákuumcsöves) kollektor (napelemekkel). Kompresszoros hűtés: napelemekkel. Termoelektromos hűtés: napelemekkel. Szárító-elpárologtató rendszerek: légkollektorokkal.
Hűtés alkalmazása Fagyasztás: minimális hőmérséklet -30 o C, abszorpciós hűtő, steam ejector, kompresszoros hűtő (vapour compression). Hűtés (hűtött vízzel): minimális hőmérséklet 5 o C, abszorpciós hűtő, steam ejector, adszorpciós hűtő, kompresszoros hűtő. Légkondicionálás (levegő hűtése): minimális hőmérséklet 16 o C, szárító-párologtató rendszerek (víz elpárologtatása, Desiccant-evaporative systems, DEC), termoelektromos hűtő.
Hagyományos hűtés 1834. Jacob Perkins, London, a kompresszoros hűtő első alkalmazása (vapour compression cooling cycle). A mechanikai energiát egy villamos motor biztosítja a kompresszornak, mely a hűtőfolyadékot az elpárologtató felöl a kondenzátor felé továbbítja. A hűtőközeg egy expanziós szelepen keresztül jut vissza az elpárologtatóba. A hűtési hőmérséklet: 15 és -30 o C közötti. Alkalmazása: ház és autó légkondicionálásához, hűtők, fagyasztók és hőszivattyúk működtetéséhez.
Termoelektromos hűtés Peltier elemmel történő hűtés, 1834. Jean Peltier, (thermo-electric cooler, TEC) Két különböző félvezető anyagon keresztül elektromos áramot vezetünk át és ennek hatására hűteni fogni a félvezető anyag. A p és n rétegek határán. Csendes, kis méretű, kis hűtőkapacitású (60-100 Watt). Alkalmazása: kis méretű hűtőszekrények, hűtőtáskák, hűtőládák.
Termoelem hűtése
Hőbevitellel történő hűtés Hőenergiával történő hűtés (thermally driven cooling) lehet Nyitott rendszer: légkondicionálásnál, folyékony szorpció szárító-párologtatás (DEC) Zárt rendszer: hideg vízzel történű hűtés esetén, folyékony szorpció: abszorpciós hűtés szilárd szorpció: adszorpciós hűtés (a szorpciós hűtők kétféle energiaforrásról működtethetők: villamos energia és hőenergia)
Abszorpciós hűtés Csendes, nincs mozgó alkatrész, folyamatos működésű Alkalmazása: szállodai hűtők, kemping, lakókocsi, hajón használt hűtők, CHP hűtőrendszer. Munkafolyadék: ammónia+víz, -30 és 20 o C között, COP=0,5-0,7 lítium-bromid + víz, 6 és 20 o C között, COP=0,6-1,8 (COP: coefficient of performance)
Abszorpciós hűtés története 1850. Edmund Carré kénsav-víz keverékkel 1859. Ferdinand Carré ammónia-víz keverékkel oldotta meg a hűtést 1899. oldatszivattyú nélküli folyamatos működésű abszorpciós hűtőgép, H. Geppert 1922. Baltzar von Platen és Carl Munters, szivattyú nélküli folyamatos működésű abszorpciós hűtőgép, hidrogén gáz semleges közegként való alkalmazása, a kondenzátor és az oldó külső levegővel történő hűtése. Ezt a szabadalmat vásárolta meg az Electrolux.
Adszorpciós hűtés Csendes, szakaszos működésű A szilárd közeget regenerálni kell bizonyos időközönként Alkalmazása: légkondicionálók, hűtők Munkaközeg: Víz + szilika gél, 6 és 20 o C között, COP=0,5-0,65 Víz + zeolit, 6 és 20 o C között, COP=0,5-0,6
Napkollektoros hőhasznosítás kapcsolási rajz a mérési pontokkal A munkafolyadék víz volt. vákuumcsöves kollektor hasznos felülete 1,485 m 2 (15 csöves kollektor)
Abszorpciós hűtő (Dometic)
A kísérleti hűtőberendezés
Felhasznált források GYURCSOVICS L. (1982): A napenergia hasznosítása az épületgépészetben, Műszaki Könyvkiadó, Budapest KOHLENBACH P. JAKOB U. (2014): Solar cooling, The Earthscan expert guide to solar cooling systems, Routledge KOMONDY Z. HALÁSZ L. (1970): Hűtőgépek, Tankönyvkiadó, Budapest LITZ J. (1998): Elektromosságtan és mágnességtan, Műszaki Könyvkiadó, Budapest ZSEBIK A. CSATA Zs. TORMA J. VÁRADI Sz. MOUMOULIDIS, I. (2010): Fűtés és hűtés napenergiával, Energiagazdálkodás, 2010/2., 3-8. p. Lloyd A. (2008): Steinway installs solar-powered air conditioning, Renewable Energy December 29, 2008, www.treehugger.com MET 2011 MVM 2008 VER 2011 http://www.soselectronic.hu/
Köszönöm megtisztelő figyelmüket!