Análise aprofundada do ar condicionado solar: do princípio ao design, abrindo uma revolução verde de refrigeração

Princípio de trabalho do ar condicionado solar híbrido

O sistema de ar condicionado solar híbrido não é uma única rota técnica fixa, mas um produto da integração de múltiplas tecnologias, com o objetivo de superar as limitações intermitentes ou de eficiência energética única dos sistemas solares puros. Seu princípio central é integrar de maneira inteligente diferentes insumos de energia e modos de resfriamento para garantir um resfriamento eficiente e estável sob várias condições de trabalho.
Acionamento combinado de energia solar fotovoltaica e térmica (híbrido pv-térmico)
Este modo híbrido combina geração de energia solar fotovoltaica (PV) com utilização térmica solar, cada um acionando diferentes mecanismos de resfriamento ou ajudando -se.
Princípio de trabalho:
Parte fotovoltaica: painéis fotovoltaicos solares convertem a radiação solar em energia elétrica. Essa energia elétrica pode acionar diretamente unidades tradicionais de ar condicionado de compressão mecânica (incluindo compressores, ventiladores etc.) para fornecer resfriamento.
Parte de energia térmica: Os coletores solares convertem a radiação solar em energia térmica, e a água quente gerada ou o ar quente pode gerar absorção ou resfriadores de adsorção ou ser usado para desumidificadores em sistemas de ar condicionado regenerativos de desumidificação.
Trabalho cooperativo: quando houver sol, os sistemas de energia fotovoltaica e térmica suficiente podem operar simultaneamente para atender em conjunto à demanda de carga de resfriamento. Por exemplo, a energia fotovoltaica impulsiona o compressor, enquanto a energia térmica impulsiona o processo de desumidificação, ou as duas partes da capacidade de resfriamento são sobrepostas. Quando os recursos solares são insuficientes, o sistema pode dar prioridade ao uso de módulos com maior eficiência ou mais recursos atuais. Por exemplo, se a geração de energia fotovoltaica não for suficiente para acionar o compressor, o resfriamento de absorção acionado por energia térmica pode ser usado como o principal método de resfriamento, ou o sistema pode alternar para a grade para fonte de alimentação suplementar.
Vantagens: Eficiência aprimorada de utilização de energia, melhor capacidade de lidar com as mudanças na carga de resfriamento quando os recursos solares flutuam; pode lidar com o calor sensível e as cargas de calor latente ao mesmo tempo (especialmente combinadas com desumidificação).
Energia solar combinada com energia convencional (rede elétrica/gás) (sistema convencional assistido por energia solar)
Este modo é a forma híbrida mais comum, com energia solar como a principal fonte de energia e energia convencional como auxiliar ou backup.
Princípio de trabalho:
Prioridade solar: a energia solar (seja energia fotovoltaica ou energia térmica solar) é usada pela primeira vez para acionar o sistema de ar condicionado. Por exemplo, a energia fotovoltaica impulsiona o ar condicionado ou energia térmica solar aciona o resfriador de absorção/adsorção.
Suplementação de energia tradicional: quando a energia solar é insuficiente para atender a todos os requisitos de carga de resfriamento (como em dias nublados, à noite ou durante cargas de pico), o sistema alterna automaticamente ou introduz a energia da utilidade (para acionar os ar condicionados de compressão) ou gás (para fornecer fontes de calor suplementares para absorção/adsorção de adsorção) para compensar o GAP.
Controle inteligente: Um sistema de controle sofisticado é fundamental, que monitora a disponibilidade de energia solar, a temperatura interna e a carga de resfriamento e envia de maneira inteligente o uso de diferentes fontes de energia para minimizar o consumo de energia tradicional, garantindo conforto.
Vantagens: melhora bastante a confiabilidade do sistema e a estabilidade operacional, evita problemas de resfriamento intermitentes que os sistemas de energia solar pura podem enfrentar; Reduz a necessidade de equipamentos de armazenamento de energia, reduzindo assim o custo e a complexidade do sistema.
Combinação de tecnologia de resfriamento múltiplo
Esse tipo de sistema híbrido combina diferentes tipos de tecnologias de refrigeração (como resfriamento evaporativo, resfriamento de desumidificação, compressão mecânica, absorção/adsorção) com energia solar.
Princípio de trabalho:
Por exemplo, um sistema pode usar energia térmica solar para acionar uma roda de desumidificação para lidar com a umidade no ar (carga de calor latente) e, em seguida, usar um refrigerador evaporativo ou um pequeno compressor mecânico acionado por energia fotovoltaica solar para lidar com a carga de calor sensível.
Outro exemplo pode ser o resfriamento da absorção como a fonte de resfriamento primária, mas quando a temperatura ambiente é alta e a eficiência da absorção diminui, um compressor mecânico suplementar acionado pela fotovoltaica fornece resfriamento adicional.
Vantagens: pode ser otimizado para diferentes condições climáticas e características de carga de resfriamento para obter controle de temperatura e umidade mais precisos e eficientes.

Componentes principais do ar condicionado solar

1. Colecionadores solares ou painéis fotovoltaicos
Este é o "coração energético" do sistema de ar condicionado solar, responsável por capturar energia solar.
Collectores térmicos solares: usados ​​em sistemas de ar condicionado solar térmico acionado. Eles convertem a radiação solar em energia térmica. Os tipos comuns incluem:
Coletores de placa plana: estrutura simples, custo relativamente baixo, adequado para fornecer água quente de média e baixa temperatura.
Coletores de tubos evacuados: desempenho superior de isolamento térmico, maior eficiência energética, especialmente no inverno ou quando a luz não é forte, pode fornecer água quente de média e alta temperatura.
Colecionadores parabólicos: eles geram calor de temperatura mais alta, concentrando os raios do sol e são frequentemente usados ​​em grandes aplicações comerciais ou industriais.
Painéis fotovoltaicos (PV): eles são usados ​​em sistemas de ar condicionado acionado por fotovoltaico solar. Eles convertem a luz solar diretamente em eletricidade. Os tipos comuns incluem:
Painéis fotovoltaicos monocristalinos: eles têm alta eficiência de conversão e desempenho estável.
Painéis fotovoltaicos policristalinos: eles têm custo relativamente baixo e são o produto convencional no mercado.
Os painéis fotovoltaicos de filme fino: eles são flexíveis e têm excelente desempenho na geração fraca de energia da luz, mas a eficiência de conversão geralmente é baixa.
2. Equipamento de núcleo do ciclo de refrigeração
Esta parte é responsável pelo processo de refrigeração real.
Absorvedor/gerador - Para sistemas de absorção: na refrigeração da absorção, o gerador evapora o refrigerante (geralmente água) do absorvente (como a solução de brometo de lítio) por aquecimento; O absorvedor reabsorve o refrigerante evaporado.
Evaporador: É crucial em todos os sistemas de refrigeração. Ele está localizado no caminho do espaço ou do fluido que precisa ser resfriado, onde o refrigerante evapora e absorve o calor do ambiente circundante, alcançando o resfriamento.
Condensador: Em contraste com o evaporador, o refrigerante libera calor aqui e condensa em um líquido, geralmente dissipando o calor no ar externo ou na água de resfriamento.
Compressor (compressor-para sistemas acionados por PV): Em ar condicionado de compressão mecânica acionada por fotovoltaica, o compressor é o componente do núcleo, responsável por comprimir o vapor de refrigerante, aumentando sua pressão e temperatura e é a fonte de energia de todo o ciclo de refrigeração.
3. Unidade de armazenamento térmico/frio
Não incluído em todos os sistemas, mas é essencial melhorar a eficiência e a estabilidade do sistema.
Tanque de água quente/tanque de armazenamento térmico: nos sistemas de acionamento térmico solar, é usado para armazenar água quente gerada por coletores solares, para que o resfriamento possa ser fornecido continuamente à noite ou em dias nublados.
Sistema de armazenamento de gelo/armazenamento de água gelada: ele pode armazenar a energia de resfriamento gerada à noite ou quando a energia solar é suficiente e liberá -la durante o horário de pico ou quando a energia solar é insuficiente para equilibrar a oferta e a demanda.
4. Sistema de controle e equipamento auxiliar
Garanta uma operação eficiente e segura do sistema.
Controlador: monitora os parâmetros do sistema (como temperatura, intensidade da luz) e ajusta automaticamente a operação de cada componente de acordo com programas ou usuário predefinidos, para otimizar o efeito de resfriamento e a utilização de energia.
Bombas/ventiladores: Responsável por transmitir fluidos (como água quente, refrigerante, ar) para garantir a transferência e distribuição efetiva de calor ou frio dentro do sistema.
Sistema de tubulação/duto: usado para transmitir refrigerantes, água ou ar e conectar vários componentes do sistema.
Válvulas e sensores: Controle a direção e fluxo do fluido, monitore o status da operação do sistema e forneça dados ao controlador.
Inversor-Para sistemas acionados por PV: em um sistema acionado por PV, se o ar condicionado usar energia CA, o inversor converte a energia CC gerada pelo painel fotovoltaico em energia CA.

Como um ar condicionado solar híbrido atinge o resfriamento acionado por calor?

O núcleo do sistema de ar condicionado solar híbrido para obter resfriamento acionado por calor é que ele integra a refrigeração de absorção ou a tecnologia de refrigeração de adsorção e, por meio de estratégias de controle inteligentes, converte eficientemente a energia térmica solar em capacidade de resfriamento.
1. Coleta e conversão de calor solar
O primeiro passo no resfriamento acionado por calor é capturar com eficiência energia solar e convertê-lo em energia térmica utilizável.
Coletor solar: o sistema geralmente é equipado com coletores solares (como coletores de tubos de vácuo ou coletores de placas planas). Esses coletores absorvem a radiação solar e aquecem o fluido dentro do coletor (geralmente água ou líquido térmico) até a temperatura necessária. Esta água quente ou fluido quente é a fonte de energia para acionar o ciclo de refrigeração.
Unidade de armazenamento térmico: para lidar com a natureza intermitente da energia solar (como à noite ou nos dias nublados), o sistema geralmente inclui um tanque de armazenamento térmico. O excesso de calor gerado durante o dia pode ser armazenado nele para garantir o resfriamento contínuo, mesmo quando não houver luz solar, melhorando a estabilidade e a independência operacionais do sistema.
2. Ciclo de refrigeração acionado por calor: absorção ou adsorção
A energia térmica obtida é introduzida na geladeira acionada por calor, que é o link principal para obter o resfriamento.
Refrigeração de absorção (resfriamento de absorção):
Princípio do núcleo: a refrigeração da absorção usa o fluido de trabalho (como a água) para absorver o calor a baixa temperatura e baixa pressão, bem como as características de absorção e dessorção do absorvente (como solução de brometo de lítio) para concluir o ciclo de refrigeração.
Acionamento térmico: a água quente ou o líquido quente fornecido pelo coletor solar é enviado ao gerador. No gerador, o calor aquece a solução absorvente rica no fluido de trabalho, fazendo com que o fluido de trabalho evapore a partir da solução.
Processo de refrigeração: o vapor de fluido de trabalho evaporado entra no condensador para liberar calor e condensar o líquido e depois entra no evaporador através da válvula do acelerador. No evaporador, devido à redução da pressão, o fluido de trabalho líquido evapora rapidamente e absorve o calor do ambiente circundante, reduzindo assim a temperatura da água de resfriamento ou do ar que flui através do evaporador para obter refrigeração.
Regeneração cíclica: O vapor de fluido de trabalho que absorveu o calor é então retornado ao absorvedor, reabsorvido pela solução diluída para formar uma solução concentrada e depois bombeada de volta ao gerador para completar todo o ciclo fechado.
Resfriamento de adsorção:
Princípio central: a refrigeração da adsorção usa as propriedades físicas de adsorção e dessorção de adsorventes sólidos (como sílica gel, zeólito) em adsorbatos (como água, metanol).
Acionado de calor: o calor solar é usado para aquecer o leito de adsorção cheio de adsorvente. O calor faz com que o adsorvente libere (Desorb) o vapor adsorbato pré-adsorvido em sua superfície.
Processo de refrigeração: o vapor adsorvido dessorvido é condensado em líquido no condensador e depois entra no evaporador. No evaporador, o líquido adsorvente evapora e absorve o calor, produzindo um efeito de resfriamento.
Regeneração cíclica: O vapor adsorvido evaporado é reformulado por outro leito de adsorção resfriado, e o leito de adsorção esfria e restaura sua capacidade de adsorção. Dois ou mais camas de adsorção se revezam para realizar a dessorção de aquecimento e a adsorção de resfriamento para obter refrigeração contínua.
3. Modos híbridos e auxiliares
Os sistemas híbridos não estão simplesmente usando a unidade térmica solar, mas também possuem modos operacionais inteligentes:
Prioridade solar: quando houver sol suficiente, o sistema prioriza usando o calor solar para acionar o chiller para maximizar os benefícios de economia de energia.
Fonte de calor auxiliar: quando a energia solar não é suficiente para atender à demanda de carga de resfriamento, o sistema pode alternar automaticamente ou introduzir fontes de calor auxiliares, como caldeiras a gás ou aquecedores elétricos, para complementar o calor e garantir o resfriamento ininterrupto.
Integração de vários modos: Alguns sistemas híbridos avançados também podem integrar a geração de energia fotovoltaica solar, que pode acionar bombas de circulação, ventiladores ou outros equipamentos auxiliares ou acionam diretamente pequenos compressores mecânicos para resfriamento suplementar quando o acionamento térmico é insuficiente, formando uma solução mais flexível.

Quais fatores afetam o COP de sistemas de ar condicionado solar

1. Características de recursos solares
A qualidade e a estabilidade dos recursos solares afetam diretamente o COP de sistemas de ar condicionado solar, especialmente para sistemas acionados por calor.
Irradiância solar: Quanto maior a intensidade da radiação solar, mais energia pode ser capturada por coletores solares ou painéis fotovoltaicos. Para sistemas acionados termicamente, maior irradiância significa água mais quente ou ar quente, o que geralmente melhora a eficiência dos resfriadores de absorção ou adsorção. Para sistemas acionados por fotovoltaicos, a maior irradiância gera diretamente mais eletricidade, o que aciona o sistema de ar condicionado a operar com mais eficiência.
Duração e continuidade do sol: o sol contínuo e estável permite que o sistema opere da melhor maneira possível por um longo tempo. O sol intermitente faz com que o sistema inicie/pare com frequência ou mude para a energia auxiliar, o que reduz o COP médio.
Ângulo e orientação do coletor/painel PV: a inclinação e orientação ideais podem maximizar a captura de energia solar, aumentando assim a entrada de energia do sistema em diferentes estações e ao longo do dia, o que, por sua vez, afeta o COP.
2. Temperaturas de operação ambiente
A temperatura ambiente é um fator externo importante que afeta o COP de todos os sistemas de refrigeração.
Temperatura do condensador/dissipador de calor: o refrigerante precisa liberar calor para o ambiente externo no condensador. Quanto maior a temperatura externa, maior a temperatura de condensação necessária para o condensador, o que aumentará o consumo de energia do compressor (para sistemas de acionamento fotovoltaico) ou reduzirá a eficiência do resfriador acionado por calor, resultando em uma diminuição da COP. Para sistemas de absorção/adsorção, isso significa que quanto maior a água de resfriamento ou a temperatura do ar ambiente, pior o desempenho do absorvedor/condensador, reduzindo assim o COP.
Temperatura do evaporador/temperatura do alvo de resfriamento: o evaporador é responsável por absorver o calor do espaço resfriado. Quanto maior a temperatura do espaço resfriado (isto é, maior a temperatura de evaporação), menor o trabalho que o ciclo de refrigeração precisa fazer, e o COP geralmente será maior. Por outro lado, se o espaço precisar ser resfriado a uma temperatura muito baixa, o COP será reduzido.
Temperatura do gerador - Para sistemas térmicos: para resfriadores de absorção ou adsorção, quanto maior a temperatura da fonte de calor de acionamento necessária para o gerador (ou leito de dessorção), maior o policial geralmente pode ser alcançado, mas isso também coloca requisitos mais altos no coletor solar.
3. Design do sistema e desempenho do componente
O design interno do sistema de ar condicionado solar e a eficiência de cada componente são cruciais para o COP.
Tipo e eficiência do chiller:
Chillers de absorção/adsorção: diferentes modelos e estágios (efeito único, duplo efeito, efeito triplo) de resfriadores de absorção têm policiais diferentes. As unidades de dois efeitos e efeitos triplos geralmente têm policiais mais altos, mas também têm requisitos mais altos para a temperatura da fonte de calor. Os chillers de adsorção geralmente têm requisitos mais baixos para a temperatura da fonte de calor, mas o COP também pode ser relativamente baixo.
Eficiência do compressor-Para sistemas acionados por PV: em ar condicionado de compressão mecânica acionada por fotovoltaica, a eficiência do compressor determina diretamente a eficiência da conversão de energia elétrica em capacidade de resfriamento. Os compressores de frequência variável geralmente mostram policiais mais altos em cargas parciais.
Desempenho do trocador de calor: o projeto e a eficiência da transferência de calor de todos os trocadores de calor (evaporadores, condensadores, geradores, absorvedores etc.) no sistema afetarão a diferença de temperatura entre várias partes do sistema e, assim, afetarão o COP. O bom desempenho da transferência de calor ajuda a reduzir a diferença de temperatura e melhorar a eficiência.
Projeto do sistema de tubulação e duto: o comprimento, o diâmetro, o desempenho do isolamento e o layout dos tubos e dutos afetarão a perda de calor e a queda de pressão durante o transporte de fluidos, afetando assim o consumo de energia de bombas e ventiladores e afetando indiretamente o COP total do sistema.
Sistema de armazenamento de energia: Um sistema de armazenamento de energia quente/frio configurado adequadamente pode suavizar a volatilidade da energia solar, permitindo que o chiller opere sob condições mais estáveis, evitando iniciações e desligamentos frequentes e, assim, mantendo um COP médio mais alto.
4. Estratégia de controle e gerenciamento de operação
Sistemas de controle inteligente e gerenciamento razoável de operações podem otimizar o desempenho do sistema.
Combinação de carga: se o sistema pode ajustar flexivelmente o uso da energia solar e a saída da capacidade de resfriamento de acordo com as alterações na carga de resfriamento em tempo real é crucial para manter um policial alto.
Gerenciamento de energia: em um sistema híbrido, como alternar de forma inteligente entre energia solar e energia auxiliar (como eletricidade da cidade e gás) e como otimizar a ordem de utilização de cada fonte de energia, afetará o COP geral do sistema.
Manutenção e limpeza: Limpando regularmente a superfície de coletores solares ou painéis fotovoltaicos, mantendo todos os componentes do sistema em boas condições de operação e impedindo a escala, o bloqueio e outros problemas são necessários para manter um policial alto.

Como projetar capacidade de ar condicionado solar apropriado de acordo com as condições regionais de sol

Projetar a capacidade de ar condicionado solar é um projeto complexo que requer consideração abrangente de múltiplos fatores relacionados às condições regionais do sol para garantir que o sistema possa atender às necessidades de refrigeração e maximizar a eficiência da utilização da energia solar.
1. Avalie os recursos solares regionais
Esta é a base do design. É necessário dados detalhados e confiáveis ​​de recursos solares locais.
Dados de irradiância solar: obter irradiância solar média anual local, irradiância média mensal e dados de pico de irradiância em diferentes estações. Esses dados são geralmente expressos em quilowatt-hora por metro quadrado por ano (kCh/m²/ano) ou por dia (kCh/m²/dia) e precisam distinguir entre radiação total, radiação direta e radiação difusa.
Horas de sol: entenda as horas eficazes do sol eficaz, especialmente em estações com alta demanda de resfriamento.
Dados meteorológicos: incluindo temperatura ambiente, umidade, velocidade do vento etc., esses dados afetarão a eficiência e a carga de resfriamento dos coletores solares.
Fonte de dados: você pode se referir aos dados históricos de longo prazo da Administração Meteorológica Nacional, Estações Meteorológicas Profissionais e Data Centers de Energia Renovável (como NASA e NREL).
2. Determine os requisitos de carga de resfriamento
Antes de projetar qualquer sistema de ar condicionado, é crucial calcular com precisão a carga de resfriamento do edifício.
Características de construção: considere a orientação, área de janela e tipo do edifício, isolamento de parede e teto, fontes de calor internas (corpo humano, eletrodomésticos), etc.
Uso: O objetivo do edifício determina sua densidade interna de ocupação, geração de calor do equipamento e horário de operação.
Condições de projeto: Defina a temperatura e a umidade do alvo interno, bem como a temperatura do projeto externo (geralmente a temperatura típica do dia mais quente da área).
Ferramenta de cálculo de carga: use o software de simulação de consumo de energia profissional (como DOE-2, EnergyPlus, TRNSYS) ou métodos de cálculo de carga (como calor sensato e método de separação de calor latente) para calcular com precisão a capacidade de resfriamento necessária por hora ou dia (unidade: KC ou toneladas de refrigeração).
3. Selecione o tipo e a área do coletor solar apropriado
Selecione o tipo de colecionador mais adequado de acordo com a temperatura da fonte de calor necessária e as condições locais de luz do sol.
Eficiência do coletor: Diferentes coletores têm diferentes curvas de eficiência em diferentes temperaturas e irradiações. Por exemplo, os coletores de tubos de vácuo são mais eficientes em baixas temperaturas e condições fracas de luz e são adequadas para chillers de absorção/adsorção que requerem temperaturas de direção mais altas. Os coletores de placa plana são de baixo custo e adequados para fornecer fontes de calor de média e baixa temperatura.
Cálculo da área do coletor: Calcule a área total do coletor necessário com base na demanda de calor do chiller e na eficiência térmica média do coletor selecionado.
Área de coletor necessária = (acionando o calor necessário para o chiller) / (eficiência térmica média do coletor × irradiância solar)
Um certo fator de segurança e perda são geralmente considerados.
Considerações de instalação: verifique se há um espaço suficiente no telhado ou no solo para instalar a área necessária do coletor e considere sombreamento, inclinação e orientação para maximizar a captura de energia solar ao longo do ano.
4. Capacidade do resfriador de correspondência
Selecione um resfriador de absorção ou adsorção que corresponda à demanda de carga de resfriamento.
Chiller Cop: Considere o COP (coeficiente de desempenho) do chiller, que representa a proporção de capacidade de resfriamento e a entrada de calor necessária. Diferentes tipos e marcas de chillers têm policiais diferentes, afetados pela temperatura de condução, temperatura de condensação, etc.
Capacidade de resfriamento nominal: selecione um chiller com uma capacidade de resfriamento nominal que corresponda à carga de pico do edifício.
Demanda de acionamento térmico: Com base na capacidade de resfriamento nominal e no COP do chiller, a entrada de calor de acionamento necessária é inferida, que é um parâmetro -chave para calcular a área do coletor.
5. Considere o sistema de armazenamento térmico
O sistema de armazenamento térmico é essencial para suavizar o suprimento intermitente de energia solar.
Cálculo da capacidade: A capacidade do tanque de armazenamento térmico precisa ser calculada com base na capacidade de resfriamento necessária à noite ou em dias nublados e na capacidade de calor específica do meio de armazenamento térmico.
Princípio do projeto: o sistema de armazenamento térmico deve poder armazenar calor suficiente para apoiar a operação do chiller durante períodos sem luz solar ou reduzir a dependência da energia auxiliar.
6. integrar energia auxiliar e controle inteligente
Um sistema solar puro pode não ser capaz de atender às necessidades de resfriamento em todas as condições; portanto, são necessárias energia auxiliar e controle inteligente.
Energia auxiliar: Dependendo das condições regionais de luz do sol e dos requisitos de confiabilidade do sistema, pode ser necessário integrar caldeiras a gás, aquecedores elétricos ou eletricidade elétrica (para compressores acionados por fotovoltaicos) como energia suplementar quando a energia solar é insuficiente.
Estratégia de controle: projete um sistema de controle inteligente para otimizar o uso de energia solar com base em parâmetros como disponibilidade de energia solar em tempo real, alterações de carga de resfriamento e status de armazenamento de calor e agende de forma inteligente a intervenção da energia auxiliar para maximizar a confiabilidade do COP e do sistema.

DC R410A