Słoneczna klimatyzacja

Jedną z zalet wykorzystywania energii słonecznej jest obniżenie zapotrzebowania na energię konwencjonalną. Sprężarkowe agregaty chłodnicze tradycyjnych instalacji klimatyzacyjnych pobierają drogą energię elektryczną. Szacuje się, iż koszt oziębienia jest 2,5 do 3 razy droższy niż koszt ogrzewania w odnie­sieniu do 1 kWh zużytej energii.

Jak duży jest potencjał możliwej oszczędności energii przy stosowaniu alternatywnych urządzeń klimatyzacyjnych? W Niemczech zużywa się około 1% energii elektrycznej na potrzeby klimatyzacji. Przeprowadzone symulacje na ISE (Freiburg) podają, iż przy pokryciu zapotrzebowania na urządzenia klimatyzacyjne na poziomie 70-85% słonecznymi urządzeniami sorpcyjnymi oszczędzi się do połowy energii zużywanej obecnie na klimatyzację. Najbardziej optymalną przesłanką wykorzystania urządzeń słonecznych w klimatyzacji jest odpowiednie nasłonecznienie w okresie lata. Aby móc powiedzieć coś pełniej na temat oszczędności związanej z wykorzystaniem instalacji kolektorów słonecznych do klimatyzacji, musimy wspomnieć o kosztach. Związane są one z żakupem instalacji kolektorów słonecznych oraz niezbędnego rotoru sorpcyjnego. Bazując na doświadczeniach niemieckich, można powiedzieć, iż instalacje tego typu są ekonomicznie opłacalne, mimo znacznie wyższych kosztów inwestycyjnych. Okres zwrotu takiego systemu może się zamknąć w ciągu 8-10 lat.

Instalacja słoneczna wykorzystana w klimatyzacji może być samowystarczalna lub wspomagana przez konwencjonalną instalację chłodniczą. W przeważającej ilości wypadków stosuje się instalacje słoneczne jako element dodatkowy instalacji konwencjonalnych. Nie ma za bardzo sensu stosowanie całkowicie niezależnego systemu od paliw konwencjonalnych. Próba podwojenia powierzchni kolektora (celem wyeliminowania źródła konwencjonalnego) może nie mieć praktycznego wpływu na oszczędności paliw kopalnych, zaś znacznie podraża system. W instalacjach wykorzystujących tak niestabilne źródło energii, jakim jest energia słoneczna, podstawą jest zastosowanie dodatkowego źródła ciepła (jak to ma miejsce np. w przypadku podgrzewania c.w.u.).

Na rynku urządzeń klimatyzacyjnych królują sprężarkowe agregaty chłodnicze. Rynek klimatyzacji jest w Polsce w ciągłej fazie wzrostu, choć na Zachodzie jest już w fazie stabilizacji. Jest on twardo osadzony w tradycyjnych urządzeniach klimatyzacyjnych. Oferenci technologii bazują na sprawdzonych i dobrze sprzedających się produktach. Klimatyzacja z wykorzystaniem słońca jest „rodzynkiem" rzadko wykorzystywanym na Zachodzie, w Polsce niespotykanym. Problemem w wykorzystaniu instalacji słonecznych w klimatyzacji jest często brak doświadczeń w projektowaniu, budowie i użytkowaniu takich systemów. Wykorzystując energią słoneczną do klimatyzacji, należy dokładnie przebadać budynek pod względem energetycznym. Nie jest wystarczająca znajomość wartości maksymalnych zapotrzebowania na chłód. Projektant decydujący się wykorzystać ciepło słoneczne musi znać rozłożenie obciążenia chłodu w czasie i przestrzeni. W przypadku instalacji tradycyjnych nie ma konieczności tak dokładnej analizy.

Inną sprawą jest brak przekonania osób projektujących do stosowania energii słonecznej. Tak długo jak nie pozna się zalet i ograniczeń w stosowaniu energii słonecznej, tak długo nie będzie prawidłowego odbioru instalacji wśród potencjalnych inwestorów.

Chłodzenie słoneczne jest rozwijane w kilku krajach, m.in. w Niemczech, gdzie pracuje obecnie kilkadziesiąt instalacji wspomaganych słońcem oraz co najmniej jedna samowystarczalna. Od czerwca 2001 r. pracuje pierwsza niemiecka instalacja słoneczna wykorzystywana w klimatyzacji w Przemysłowo - Handlowej Izbie (IHK) we Freiburgu. Instalacja jest samowystarczalna (energia elektryczna potrzebna jest jedynie do pracy mechanicznej wentylacji). Ciepło dostarczane jest z 100 m2 kolektora powietrznego. Kompletna instalacja klimatyzacyjna (z funkcją: grzania, chłodzenia, nawilgacania i osuszania) zaopatruje piętro konferencyjne z 10 000 m3/h powietrza (wystarcza to do zachowania komfortu 100 osób) Instalacja została wbudowana w istniejący budynek z powodu nadmiernych zysków i strat ciepła poprzez duże powierzchnie szklane. W instalacji wykorzystuje się wirnik sorpcyjny.

Innym z przykładów są budynki Ministerstwa Transportu w Berlinie. Wyposażone są one w słoneczne chłodzenie zintegrowane z agregatem chłodniczym. Czynnik dostarczany jest przez 229 mz wysoko wydajnego kolektora słonecznego oraz dwa agregaty chłodnicze (o mocy znamionowej 35 kW). Jeśli ilość energii słonecznej nie wystarcza do pokrycia całkowitego zapotrzebowania na chłód, wykorzystuje się zamontowane agregaty chłodnicze. Inaczej wygląda instalacja w Rządowym Centrum Prasowym w Berlinie (Bundespresseamt). Składa się ona z 348 m2 kolektora próżniowego oraz dwóch agregatów sprężarkowych (35 kW). Przy małym natężeniu promieniowania niezbędne jest ciepło dla procesu wytwarzania chłodu dostarczane z sieci cieplnej.

Dla dużych instalacji stosuje się eksperymentalnie instalacje pracujące na chlorku litu. Taka instalacja powstała w Bawarskim Centrum Technologii Ener­getycznych. Zastosowanie soli jako sorbentu wymaga dużych objętości zbiorników. W cytowanym przykładzie zbiorniki mają pojemność po ok. 10 m3 Istotne znaczenie dla osiągnięcia sukcesu słonecznej klimatyzacji odgrywa proces projektowania. Brakuje standardowych i prostych narzędzi dla pewnego wymiarowania i wskazówek dla porównania opłacalności. Jednocześnie brakuje narzędzi do obszernych obliczeń symulacyjnych.

W kompleksowych systemach szczególnie uruchomienie i praca w pierwszych latach jest szczególnie istotna. W instalacjach wspomaganych dodatkowym źródłem energii wykorzystanie energii słonecznej winno być priorytetowe. Tylko wówczas można mówić o opłacalnym na etapie instalacji i darmowym na etapie eksploatacji wykorzystaniu energii słonecznej.

Autor: dr inż. Krystian Kurowski