Инновации в системах охлаждения зданий с использованием адсорбционных и абсорбционных технологий
Срочный случай охлаждения следующего поколения
Глобальные температуры растут, города расширяются, и спрос на комфорт в помещении стремительно растет. Обычные паро-сжатие кондиционера уже составляет значительную долю от общего потребления энергии в зданиях и, по прогнозам, утроится во всем мире к 2050 году. Эта траектория угрожает напрячь электрические сети, ускорить выбросы парниковых газов и ухудшить сам эффект теплового острова, который стимулирует спрос на охлаждение. В ответ инженеры и исследователи обращаются к тепловым циклам охлаждения - адсорбции и поглощения - которые могут работать на отработанном тепле, солнечной тепловой энергии или природном газе вместо электричества. Эти технологии, активируемые теплом, больше не являются лабораторными любопытствами; они появляются как практические, масштабируемые решения для жилых, коммерческих и районных систем охлаждения. В этой статье рассматривается, как последние инновации в области материалов, проектирования систем и интеграции толкают адсорбцию и поглощение охлаждения от нишевых приложений к массовому принятию, предлагая путь к резкому сокращению углеродного следа строительства HVAC при сохранении или улучшении комфорта.
Основы термоуправляемого охлаждения
И адсорбционные, и абсорбционные системы имеют одну и ту же термодинамическую цель: перемещение тепла из холодного пространства в более теплую среду без использования механического компрессора. Вместо того, чтобы использовать электричество для сжатия паров хладагента, они используют тепло для управления циклом, который поочередно поглощает и выпускает хладагент. Ключевое различие заключается в среде - твердой для адсорбции, жидкой для поглощения - что приводит к различным эксплуатационным характеристикам, конструкциям компонентов и идеальным вариантам использования.
Как работает адсорбционное охлаждение
В адсорбционном чиллере твердый адсорбирующий материал (например, силикагель, цеолит или активированный уголь) содержится в герметичной камере. Во время фазы адсорбции пар хладагента (обычно вода или метанол) извлекается из испарителя и захватывается сухим адсорбентом, процесс, который выделяет тепло. Как только адсорбент насыщен, камера изолирована и нагревается - часто солнечными тепловыми коллекторами, отработанным теплом от промышленных процессов или газовой горелкой - выталкивая хладагент обратно в жидкость и возвращается в испаритель, где он снова обеспечивает охлаждение, когда он испаряется. Цикл чередуется между двумя или более адсорбентными слоями, так что выход охлаждения непрерывный.
Поскольку адсорбционные чиллеры не имеют движущихся частей в адсорбционном слое (кроме клапанов и насосов для теплопередающих жидкостей), они чрезвычайно надежны и тихи. Их основным ограничением был более низкий коэффициент производительности (COP) по сравнению с системами поглощения, но новые адсорбирующие материалы закрывают этот разрыв.
Как работает абсорбционное охлаждение
Абсорбционные чиллеры заменяют компрессор тепловой петлей, состоящей из поглотителя, генератора, конденсатора и испарителя. Наиболее распространенным сопряжением является бромистого лития в качестве абсорбента и воды в качестве хладагента. В абсорбере пар хладагента из испарителя растворяется в концентрированном растворе бромистого лития, выделяя тепло. Разбавленный теперь раствор нагнетается в генератор, где тепло приводит в действие водяной пар, оставляя концентрированный раствор, который возвращается в поглотитель. Затем отделенный водяной пар поступает в конденсатор и далее через клапан расширения к испарителю, завершая цикл охлаждения.
Крупные абсорбционные чиллеры были развернуты в течение десятилетий на промышленных и районных охлаждающих заводах, где легко доступны отходы пара или горячей воды. Недавние инновации приносят одно- и двухэффектные абсорбционные чиллеры в небольшие коммерческие здания, в то время как тройные чиллеры выталкивают тепловой КС выше 1,5 - конкурентоспособный с некоторыми электрическими чиллерами, когда источник тепла по существу свободен.
Прорывные материалы Driving Adsorption Performance
Сердцем любого адсорбционного чиллера является пара адсорбент-хладагент. В течение десятилетий силикагель и цеолиты были рабочими лошадками, но они страдают от ограниченной емкости поглощения воды и требуют температуры регенерации выше 80 ° C для хорошей производительности. Сегодняшние инновации открывают новые классы материалов, которые резко повышают эффективность и позволяют использовать низкотемпературные источники тепла.
Металлоорганические структуры (MOF)
Металлоорганические каркасы представляют собой кристаллические структуры с ультра-высокой пористостью - некоторые имеют площади поверхности, превышающие 7000 м2 на грамм. При проектировании в качестве адсорбентов воды, MOF, такие как MIL-101 (Cr) и MIP-200, могут поглощать более 1 грамма воды на грамм материала при относительной влажности, типичной для строительных сред (30-60% RH). Еще более важно, что они регенерируют при температурах до 60 ° C, что делает их совместимыми со стандартными плоскими солнечными тепловыми коллекторами или низкосортным отработанным теплом. Исследовательские группы в таких учреждениях, как KAUST и ETH Zurich, продемонстрировали прототипы адсорбционных чиллеров, использующих MOF, которые достигают определенной мощности охлаждения (SCP) в два раза больше, чем у гелевых пластов кремнезема. Проблемы масштабирования остаются - особенно стоимость и долгосрочная стабильность цикла - но пилотные производственные объекты в настоящее время производят MOF в тоннах, принося ценовые точки
Композитные адсорбенты «Соль-в-пору-матрица»
Другой перспективный маршрут включает пропитку гигроскопических солей (таких как CaCl2 или LiCl) в пористые хозяева, такие как активированный уголь или расширенный графит. Соль обеспечивает очень высокое поглощение воды - до 1,8 г г-1 - в то время как матрица предотвращает утечку соли и поддерживает структурную целостность. Эти композиты могут быть регенерированы с использованием низкосортного тепла (50-70 ° C) и демонстрируют отличную стабильность в течение сотен циклов. Они особенно привлекательны для систем жилого масштаба, где солнечные тепловые коллекторы на крыше могут обеспечить необходимое тепло.
Продвинутые цеолиты и алюминофосфаты
Обычные цеолиты (например, 13X) являются высокогидрофильными, но требуют регенерации выше 120 °C. Недавно синтезированные структуры алюминофосфата (AlPO) и силикалюминофосфата (SAPO) имеют индивидуальные размеры пор и химию поверхности, которые позволяют им адсорбировать воду более избирательно при более низких температурах. SAPO-34, например, имеет изотерму с крутым поглощением воды около 30 % RH и может быть регенерирована при 85-95 °C - температуре, легко достигаемой эвакуированными трубчатыми солнечными коллекторами или водой из кожухи двигателя. Эти материалы в настоящее время производятся в коммерческих количествах для адсорбционных чиллеров в Европе и Китае.
Системные инновации для охлаждения поглощения
Хотя технология поглощения является более зрелой, чем адсорбция, последние инновации повышают ее эффективность, уменьшают ее размер и делают ее более совместимой с возобновляемыми источниками энергии.
Вариабельный эффект и каскадные циклы
Традиционные одноэффектные абсорбционные чиллеры имеют COP около 0,7. Двухэффектные циклы добавляют второй генератор и конденсатор для повышения COP до 1,2-1,4, но требуют более высокого температурного тепла (140-170 ° C). Системы с тремя эффектами толкают COP выше 1,5, но требуют очень высоких температур (> 200 ° C) и специализированных материалов, чтобы избежать коррозии. Более новый подход - циклы с переменным эффектом - использует расширенные клапаны управления и несколько стадий давления для регулировки "эффекта" в режиме реального времени на основе доступной температуры источника тепла и охлаждающей нагрузки. Это позволяет чиллеру эффективно работать в более широком диапазоне условий, от мягкого (одноэффектный) до горячего (двойной эффект), без превышения размера генератора.
Каскадные конфигурации соединяют абсорбционный чиллер с механическим компрессором или адсорбционным чиллером последовательно. Например, чиллер поглощения с двойным эффектом использует природный газ или солнечное тепло для производства охлажденной воды при 7 °C, затем эта охлажденная вода подает меньший усилитель сжатия пара для достижения минусовых температур для технологического охлаждения. Такие гибриды могут достичь общей системы COP выше 2,0, когда источник тепла по существу свободен.
Компактные тепловые обменники дизайн
Одним из препятствий для более широкого внедрения абсорбционных охладителей - особенно в жилых и небольших коммерческих зданиях - был громоздкий размер судов поглотителя и генератора. Инновации в пластинчатых, скошенных пластинах и микроканальных теплообменниках сокращают эти компоненты при сохранении или улучшении тепло- и массообмена. Передовые технологии производства (дополнительное производство, сварные с лазером фольговые стеки) позволяют создавать плотно упакованные проходы, которые увеличивают площадь поверхности на единицу объема. Это позволило разработать модули абсорбционных охладителей, которые могут поместиться в стандартную механическую комнату вместе с котлом или тепловым насосом. Такие компании, как Broad, Johnson Controls и Hitachi, теперь предлагают абсорбционные охладители с воздушным охлаждением с половиной следов более ранних моделей с водяным охлаждением, устраняя необходимость в охлаждающих башнях во многих приложениях.
Интеграция с солнечным тепловым и отработанным тепловым восстановлением
Поглощение охлаждения естественным образом сопряжено с солнечными тепловыми коллекторами, поскольку оба работают на тепле. Современные системы используют эвакуированные трубки или параболические коллекторы для подачи горячей воды при 150-200 ° C, что непосредственно приводит в действие чиллер с двойным эффектом. В периоды низкого спроса на охлаждение одни и те же коллекторы могут обеспечивать горячую воду для отопления помещений или бытовой горячей воды. Этот подход «солнечного охлаждения» был продемонстрирован в крупных отелях, больницах и офисных зданиях в регионах солнечного пояса. Аналогично, промышленное отработанное тепло — от газовых турбин, поршневых двигателей или серверов центров обработки данных — может быть захвачено и использовано для привода абсорбционных чиллеров для круглогодичного охлаждения, эффективно превращая поток отходов в ценный ресурс.
Недавние проекты на Ближнем Востоке и в Калифорнии показали, что абсорбционное охлаждение на солнечной энергии может снизить спрос на электроэнергию для охлаждения на 70-90 процентов в часы пик, а также пропорционально сократить выбросы CO2. Оставшаяся энергия обычно используется для насосов и вентиляторов, которые могут питаться от небольшой фотоэлектрической матрицы, что делает всю систему почти нулевой эмиссией.
Гибридные и многоисточниковые конфигурации
Владельцы зданий и проектировщики часто сталкиваются с переменными источниками тепла, профилями нагрузки и тарифами на коммунальные услуги. Гибридные системы, которые сочетают адсорбцию, поглощение и даже обычное сжатие, могут оптимизировать производительность в этих условиях.
Каскады адсорбции-абсорбции
Одна из новых гибридных концепций помещает адсорбционный чиллер в «цикл дна» ниже по течению абсорбционного чиллера. Поглощающий чиллер отбрасывает тепло при умеренной температуре (35-40 ° C), что является правильным для регенерации адсорбента на стадии адсорбции. Это позволяет комбинированной системе извлекать больше охлаждения из заданного теплового входа, повышая общий COP на 15-25% по сравнению с любой из технологий. Прототипы, построенные в Техническом университете Берлина и Университете Уорика, подтвердили этот подход как с солнечными, так и с отработанным теплом.
DR-Ready и Grid-Interactive Controls
По мере того, как здания становятся более активными участниками умной сети, системы охлаждения с тепловым приводом предлагают уникальное преимущество: они могут хранить «холодную» воду или лед в виде охлажденной воды или льда без привлечения значительного количества электроэнергии. Поглощающие и адсорбционные чиллеры по своей сути подходят для программ реагирования на спрос (DR), потому что их основной входной поток энергии является тепловым. Когда сеть подвергается стрессу, электрический компрессор может быть отключен или выключен, а тепловой чиллер может наращиваться для поддержания охлаждения. Расширенные средства управления, которые включают прогнозы погоды, цены на электроэнергию в реальном времени и заполняемость зданий, могут организовывать этот переключатель плавно. Несколько полевых испытаний в Японии и Соединенных Штатах продемонстрировали, что здания с абсорбционными чиллерами могут пролить 30-50% своей максимальной электрической нагрузки без ущерба для комфорта.
Практические соображения и экономика
Несмотря на явные экологические преимущества, внедрение систем охлаждения с тепловым приводом по-прежнему сталкивается с барьерами, связанными с первоначальной стоимостью, технической сложностью и отсутствием обученных монтажников. Понимание этих проблем имеет важное значение для заинтересованных сторон, планирующих инвестировать.
Капитальные затраты и период окупаемости
Полная система адсорбционного чиллера (включая солнечные коллекторы, отторжение тепла и средства контроля) обычно стоит в 1,5-2,5 раза больше, чем эквивалентный чиллер сжатия пара. Однако эксплуатационные расходы могут быть на 60-80% ниже из-за снижения потребления электроэнергии и возможности использовать бесплатное (или недорогое) отработанное тепло. В регионах с высокими ценами на электроэнергию, щедрым солнечным излучением или доступным отработанным теплом простые периоды окупаемости варьируются от 3 до 7 лет. Государственные стимулы, такие как инвестиционные налоговые льготы для солнечного охлаждения в Индии и льготные тарифы на восстановление тепла в Германии, могут существенно сократить окупаемость. Поскольку адсорбенты на основе MOF и компактные модули поглощения достигают объемного производства, первые затраты, по прогнозам, к 2030 году упадут на 30-50%.
Обслуживание и надежность
Системы адсорбции имеют очень мало движущихся частей — ни компрессора, ни масла, ни хладагента при высокоскоростном вращении — что приводит к низкому техническому обслуживанию и длительному сроку службы. Основные периодические задачи — замена адсорбирующего материала каждые 10-15 лет и очистка теплообменников. Системы абсорбции требуют большего внимания, потому что раствор бромистого лития может кристаллизоваться, если температура раствора или концентрация вылетает из спецификации. Современные микроконтроллеры с самодиагностикой и системами автоматической кристаллизации восстановления значительно повысили надежность. Ведущие производители теперь предлагают гарантии 10-15 лет на компоненты абсорбционного чиллера.
Подходящие типы зданий и размеры
Исторически чиллеры адсорбции были доступны только в мощностях выше 100 кВт, ограничивая их крупными коммерческими и промышленными зданиями. Сегодня на рынок выходят модульные чиллеры адсорбции мощностью до 5 кВт (для домов на одну семью), обеспечиваемые компактными адсорбирующими кроватями и эффективными теплообменниками. Охладители абсорбции доступны от 10 кВт до нескольких мегаватт. Сладкое место для обеих технологий находится в зданиях, которые имеют совпадающий спрос на тепло и охлаждение - например, отели, которые нуждаются как в горячей воде, так и в кондиционировании воздуха, больницы с большим внутренним теплоприемом или производственные объекты с технологическими тепловыми потоками.
Экологический и политический ландшафт
Правительства во всем мире реализуют политику, которая непосредственно благоприятствует охлаждению с тепловым приводом в рамках своих планов действий по климату. Поправка Кигали к Монреальскому протоколу поэтапно снижает использование хладагентов с высоким ПГП ГФУ, что делает природные хладагенты (вода, аммиак, CO2), используемые в системах поглощения и адсорбции, еще более привлекательными. В Европейском союзе пересмотренная Директива об энергетической эффективности зданий (EPBD) предписывает, чтобы новые здания были «почти нулевыми по энергии» и поощряет использование возобновляемых источников энергии для отопления и охлаждения. Аналогичным образом, Управление строительных технологий Министерства энергетики США финансирует исследования по передовым технологиям охлаждения, включая термохимические циклы.
На фронте сертификации зданий как LEED, так и BREEAM награждают баллами за использование возобновляемых источников энергии на месте и за снижение пикового спроса на электроэнергию. Охладитель поглощения на солнечной энергии может способствовать обеим категориям, часто облегчая достижение платинового или выдающегося рейтинга. Во многих случаях избегание повышения электрической мощности (трансформаторы, распределительные устройства) может компенсировать значительную часть более высокой первой стоимости.
Тематические исследования: Реальные-мировые установки
Окружная охлаждающая сеть Сингапура
Одна из крупнейших в мире систем централизованного охлаждения, обслуживающая район Марина-Бей в Сингапуре, использует абсорбционный чиллер мощностью 35 МВт, работающий на отработанном тепле от газовой турбины комбинированного цикла. Охлажденная вода распределяется по подземной сети длиной 4 км в высотные коммерческие и жилые здания. Система снижает потребление электроэнергии в округе для охлаждения на 30 % по сравнению с обычными распределенными чиллерами и полностью избегает использования хладагентов CFC и HFC. Завод работает с 2014 года со средней доступностью выше 98 %.
Школа солнечной энергии в Аризоне
Школа с нулевым энергопотреблением в Тусоне, штат Аризона, использует чиллер с двойным эффектом 50 кВт, приводимый в движение 500 м2 эвакуированных трубных солнечных коллекторов. Чиллер обеспечивает все охлаждение для классных комнат и офисов с апреля по октябрь. В зимние месяцы те же коллекторы поставляют отопление помещений и домашнюю горячую воду. Школа сообщает о ежегодной экономии энергии в размере 65 000 долларов США по сравнению с базовой электрической системой прямого расширения, а солнечная охлаждающая установка окупилась всего за пять лет, чему способствовал государственный налоговый кредит на возобновляемую энергию.
Будущие направления исследований
Хотя область быстро развивается, остается несколько открытых проблем, которые будут формировать следующее поколение систем охлаждения с тепловым приводом.
Адсорбенты сверхвысокой производительности
Продолжается поиск адсорбентов, сочетающих высокую водозаборность (>1,5 г −1) с температурой регенерации ниже 50 °C, что позволяет использовать низкосортное геотермальное или солнечное тепло. Ковалентные органические каркасы (COF) и пористые полимерные сети демонстрируют многообещающие результаты, но еще не были протестированы в реалистичных условиях цикличности. Открытие материалов с механическим обучением ускоряет скрининг миллионов потенциальных структур.
Низкозатратное производство
Адсорбционные чиллеры сегодня в основном собраны вручную, что приводит к высоким затратам. Исследования в области автоматизированной упаковки кроватей, покрытия адсорбентных слоев на металлических фольгах и 3D-печати монолитных адсорбентных блоков могут снизить производственные затраты на порядок. Некоторые стартапы уже пилотируют эти процессы.
Термически управляемые тепловые насосы для отопления и охлаждения
Обратимые системы адсорбции и поглощения, которые могут переключаться между режимами охлаждения и нагрева с минимальными изменениями оборудования, являются активной областью исследований. Такие устройства позволят одному тепловизионному устройству обеспечить круглогодичный комфорт, еще больше улучшив экономику и уменьшив площадь присутствия оборудования.
Интеграция с системами автоматизации зданий (BAS)
Для широкого внедрения системы охлаждения с тепловым приводом она должна беспрепятственно интегрироваться с современными платформами управления зданием. Разработка стандартизированных протоколов связи (BACnet, Modbus) и алгоритмов прогностического управления, которые оптимизируют компромисс между вводом тепла и выходом охлаждения, будет иметь решающее значение. Цифровые двойники системы охлаждения могут моделировать деградацию адсорбента, загрязнение теплообменника и доступность солнечной энергии для планирования технического обслуживания и минимизации эксплуатационных расходов.
Заключение: более холодное будущее, основанное на тепле
Технологии адсорбционного и абсорбционного охлаждения больше не являются нишевыми альтернативами, но готовы стать основными решениями для устойчивого строительства HVAC. Недавние инновации - от адсорбентов на основе MOF, которые регенерируют при 60 ° C, до компактных абсорбционных чиллеров с воздушным охлаждением, которые вписываются в шкаф - устранили многие исторические барьеры стоимости, размера и производительности. При интеграции с возобновляемыми источниками тепла или отработанным теплом эти системы могут резко сократить потребление электроэнергии, пиковый спрос и выбросы парниковых газов, обеспечивая при этом надежный комфорт.
В следующем десятилетии мы увидим дальнейшее снижение затрат за счет передового производства и экономии за счет масштаба, а также более интеллектуальных систем управления, которые делают тепловое охлаждение таким же простым в использовании, как обычный тепловой насос. Для владельцев зданий, разработчиков и руководителей объектов сообщение ясно: технология готова сегодня для широкого спектра применений, и бизнес-кейс - особенно в климате солнечных поясов и промышленных условиях - становится все более убедительным. Благодаря использованию теплового охлаждения, построенная среда может сломать свою сильную зависимость от электрического сжатия и шаг к действительно декарбонизированному будущему.
Внешние ссылки