Priama premena solárnych tepelných záťaží budov na klimatizačný chlad
Časopis TZB Haustechnik 
Letné horúčavy, ktoré máme za sebou, len potvrdzujú naliehavosť témy. Témou článku je priama premena tepla na klimatizačný chlad, a to vo všeobecnosti nízkopotenciálneho tepla, čiže tepla s nízkou teplotou. Osobitný význam majú v tejto súvislosti solárne tepelné toky dopadajúce v letných mesiacoch na obvodový plášť budovy, ktoré predstavujú významnú zložku nežiaducej tepelnej záťaže budov.
Ich zachytávanie a následná premena na chlad priamo na fasáde alebo na streche jednak odľahčuje plášť budovy od tepelných ziskov a jednak významne znižuje potrebu chladiacich výkonov pri klasických kompresorových klimatizačných systémoch. Environmentálne a ekonomické prínosy riešenia, ktorého výskum a vývoj sa realizuje na pôde Stavebnej a Strojníckej fakulty STU v Bratislave, sú značné.
Vo všeobecnosti platí, že chlad patrí k drahým a energeticky náročným komoditám. Táto skutočnosť však nie je aktérom energetickej a stavebnej komunity vždy zrejmá, keďže spotreba chladu vo všeobecnosti sa priamo nemeria.
V povedomí odbornej aj laickej verejnosti pretrváva názor, že na výrobu chladu je potrebná elektrická energia na pohon chladiarenských kompresorov, a to v čase, keď je chlad potrebný. Jeho cena je teda logicky prepojená s cenou elektrickej energie, aj keď značný vplyv na ňu má aj účinnosť (COP/EER) chladiacich zariadení.
Zďaleka najvýznamnejším spotrebiteľom chladu sú klimatizačné, resp. vzduchotechnické systémy v budovách, pričom v prípade veľkých budov, ako sú administratívne alebo nákupné centrá či objekty halového charakteru, hovoríme o megawattových chladiacich výkonoch. Práve v tejto aplikačnej oblasti je preto výhodné, ak je možné na výrobu chladu použiť energiu z obnoviteľných zdrojov (OZE). Jedným z nich je aj teplo, v tomto prípade ide o solárne tepelné toky dopadajúce na obálku budovy.
Zníženie týchto tepelných záťaží je výhodné jednak z dôvodu nižšej potreby klimatizačného výkonu v lete a jednak preto, že časť alebo aj celý klimatizačný výkon možno zabezpečiť aj netradičným inovatívnym spôsobom – priamou premenou tepla na chlad, a to lokálne na fasáde budovy. Obvodové plášte budov teda predstavujú –chlad a teplo pre potreby budovy [1, 2].
Zachytávanie solárneho tepla na fasáde budovy
Základným konceptom riešenia je dvojitá transparentná fasáda schopná reagovať na podmienky meniacej sa vonkajšej klímy a prispôsobiť sa im. Zároveň by nemala negatívne vplývať na kvalitu vnútorného prostredia budovy [3 – 5].
Moderná fasádna technika inteligentných budov je založená na teórii prirodzených fyzikálnych medzipriestorov, do ktorých sú integrované zariadenia využívajúce obnoviteľné zdroje energie. Energiu slnečného žiarenia možno využiť aj fototermálnou konverziou v slnečných kolektoroch, a to ako zdroj tepla, ktoré je, paradoxne, pohonnou energiou pre špeciálny typ chladiaceho systému.
Tento netradičný typ chladiaceho stroja sa nazýva ejektorový alebo tiež paroprúdový a je určený na priame chladenie vnútorných priestorov budovy [6]. Koncept novej inovatívnej adaptívnej fasády (obr. 1) je riešený modulovo a má atypický geometrický tvar. Vonkajší plášť fasády je svojou konštrukciou a tvarom prispôsobený optimálnemu sklonu solárneho kolektora pod uhlom 40° (plochý solárny kolektor orientovaný na južnú svetovú stranu).
Lokálna výroba chladu priamo vo fasádnych moduloch
Originalita prezentovaného riešenia spočíva v lokálnej výrobe chladu zo zachyteného tepla priamo vo fasádnych moduloch, a to pomocou zmienených malých ejektorových chladiacich strojov, ktoré sú umiestené vnútri fasádneho modulu (obr. 2). Tieto originálne chladiace stroje vyvíja a prototypovo na mieru zhotovuje priamo vývojový tím projektu. Možno ich využiť na premenu akéhokoľvek odpadového tepla na chlad vrátane tepla z priemyselných aplikácií, napríklad z kogeneračných jednotiek.
Ejektorové chladiace stroje patria do skupiny teplom poháňaných chladiacich zariadení. Základným konštrukčným rozdielom oproti klasickému kompresorovému chladiacemu systému je nahradenie kompresora, ktorý spotrebúva elektrinu, tzv. paroprúdovým kompresorom nazývaným taktiež ejektor, ktorého pohonnou energiou je teplo.
Ejektorové chladiace stroje sa vo veľkom využívali v ére parných strojov. Ide o jednoduché, lacné a spoľahlivé stroje určené pre stabilné výkony [7, 8]. Chlad produkujú pri dodávaných teplách s teplotami od 60 °C (ak je chladivom R290 propán) alebo od 90 °C (ak je chladivom voda). Okrem jednoduchosti a spoľahlivosti je ich hlavnou prednosťou možnosť zužitkovať odpadové a solárne teplo v letných mesiacoch, keď je ich využiteľnosť vo všeobecnosti malá.
Tieto stroje však už nie sú v bežnej ponuke chladiarenských dodávateľov, treba ich navrhnúť pre konkrétne podmienky užívateľa. No okrem dýzy (ejektora), ktorá jediná je najnáročnejším komponentom, pozostávajú z dostupných a nie drahých komponentov – predovšetkým z výmenníkov tepla. Veľkou prevádzkovou výhodou týchto typov chladiacich/klimatizačných strojov je možnosť nasadzovať v nich ekologické chladivo. Dobre akumulované teplo ako pohonná energia je, samozrejme, výhodou [9].
Na margo teplom poháňaných chladiacich a klimatizačných strojov treba podotknúť, že na ich efektívnu prevádzku sú vhodné rozumné stabilné parametre hnacieho tepla. Ak má zdroj tepla premenlivé parametre, je potrebné zahrnúť do systému teploakumulačnú nádrž alebo nádobu, kde sa dodávané teplo bude skladovať, tzv. „medzisklad tepla“.
Z neho potom nenáročný riadiaci systém zabezpečí tok hnacieho tepla s predpísanými parametrami – najmä so správnou teplotou a s hmotnostným tokom teplonosnej látky, či už pary, alebo kvapalnej látky.
Záver
V súčasnosti, v čase už pravdepodobne trvalo vysokých cien energií, je otázka ceny klimatizačného chladu mimoriadne aktuálna. Je preto vhodné skúmať alternatívne technológie na jeho výrobu, ako aj podmienky pri tejto výrobe.
Obálka stavebného objektu predstavuje dosiaľ nedocenený zdroj energie, ktorého potenciál je vzhľadom na množstvo budov obrovský. Budova sama osebe je možným producentom elektrickej energie, tepla a aj chladu. A v prípade dizajnovania budovy a jej technických zariadení ako súčastí smart gridu sú tieto možnosti ešte výraznejšie.
Literatúra
- Mlynár, P.: Optimalizácia absorpčnej chladiacej jednotky. In 31. setkání kateder mechaniky tekutin a termomechaniky: Sborník příspěvků z mezinárodní konference. Mikulov /ČR/, 26. – 28. 6. 2012. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2012, s. 153 – 156.
- Manganos, G.: Solar systems for High Temperature Applications, Project of PhD Thesis (minimal thesis), Slovak University of Technology, Mech. Eng. Faculty, Bratislava, 2019.
- Riaz, F., Tan, K. H., Farooq, M., Imran, M., Lee, P. S.: Energy Analysis of a Novel Ejector-Compressor Cooling Cycle Driven by Electricity and Heat (Waste Heat or Solar Energy). In: Journal Sustainability, 12(19), 8178, 2020. https://doi.org/10.3390/su12198178.
- Masaryk, M., Mlynár, P., Štrba, D.: Design of solar powered ejector cooling system. In: AIP Conference Proceedings, 2118(1), 2019. https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5114758.
TEXT: prof. Ing. Michal Masaryk, PhD., doc. Ing. Zuzana Straková, PhD., Ing. Alžbeta Danková
FOTO: prof. Ing. Michal Masaryk, PhD., doc. Ing. Zuzana Straková, PhD., Ing. Alžbeta Danková, iStock
