Изнуряющая летняя жара вызывает желание оборудовать помещения кондиционерами. Однако, для охлаждения воздуха в помещении используется все больше и больше энергии, а техника для создания комфортного микроклимата имеет высокую стоимость. Над чем работают инженеры, чтобы повысить эффективность, надежность и экономичность кондиционеров воздуха? В этой статье рассказывается о пяти новых и перспективных разработках, внедрение которых позволит в будущем повысить экономию при кондиционировании воздуха помещений
Вопрос экономии энергии и снижения затрат при кондиционировании воздуха в интерьере имеет большое значение. Статистика подтверждает, что в умеренном климате только на охлаждение помещений за год используется 9% от общего энергопотребления дома. При этом, под энергопотреблением подразумевают все затраты на энергию для инженерного оборудования дома – от освещения, ГВC, отопления до охранных систем и средств связи.
Кроме того, в типичных устройствах для кондиционирования воздуха, в качестве охлаждающей жидкости используются фторуглеродные хладагенты, которые в случае утечки могут снизить эффективность системы кондиционирования воздуха и негативно повлиять на окружающую среду. То есть, задача экономной работы кондиционера – это повышение общей эффективности и снижения общей стоимости оборудования HVAC в течении эксплуатации, в том числе – проблема уменьшения эксплуатационных затрат, включая расходы на энергию.
Инженеры работают над рядом интересных новых технологий кондиционирования воздуха, в первую очередь направленных на значительное сокращение потребления энергии.
Приоткроем завесу для пяти направлений новых конструктивных и технологических разработок в области повышения эффективности кондиционирования воздуха, которые пока находятся на стадии НИОКР, хотя некоторые из них уже готовятся к выпуску опытных партий оборудования.
Первая технология – усовершенствованные теплообменники
Основа обычного теплообменника для холодильной техники (включая множество моделей воздушных кондиционеров) – это гнутая трубка-змеевик со множеством паяных (или сварных) соединений, по которой прокачивается хладагент, к которой присоединено оребрение для теплообмена. Такая трубка имеет множество мест, где потенциально могут развиваться микротрещины, через которые трудно обнаружить утечку теплоносителя. Помимо негативного влияния на окружающую среду, протекание хладагента снижает эффективность работы оборудования (увеличивает эксплуатационные затраты) и повышает общую стоимость оборудования (за счет расходов на дорогостоящий ремонт и перезаправку кондиционера/холодильника новым хладагентом).
Инженерами компании Optimized Thermal Systems, Inc., США, разрабатывается усовершенствованный трубчатый теплообменник-змеевик, в котором общее количество стыков и соединений (через которые потенциально может происходить утечка хладагента) будет уменьшено по сравнению с существующими моделями на 90%. Через микротрещины в стыках ежегодно теряется примерно 10% объема хладагента, заправленного в системы HVAC (кондиционеры, тепловые насосы и т. п.). Новая технология позволит радикально уменьшить число стыков в трубчатых змеевиках и общее количество соединяемых деталей. Кроме того, предлагается изменить само присоединение к отводящим и подводящим трубкам, чтобы уменьшить гидравлическое сопротивление потока теплоносителя, рис. 1.
Рис. 1. Новый подход в технологии соединения деталей трубчатых змеевиков
Разработчики сейчас работают над совершенствованием технологии производственного процесса пайки/сварки подобных стыков со сложной геометрией и проверяют все аспекты данного нововведения.
Вторая технология – комбинированный климат-контроль
В инженерно-техническом центре при университете Флориды разрабатывается прототип нового типа устройства климат-контроля, предназначенного специально для жилых помещений. Этот комбинированный агрегат сочетает в себе водонагреватель, осушитель и воздухоохладитель, что обеспечит более эффективную передачу тепла. Эта технология улучшить контроль влагосодержания в жилых зданиях, что повысит комфорт и значительно экономит энергию, особенно в местности с высокой природной влажностью воздуха. Для нашей страны это актуально для морского побережья, лесных районов, Полесья, Прикарпатья, жилья, расположенного возле крупных водохранилищ (Киевское море, Кременчугское водохранилище), и т. п.
Новое устройство условно называется «Комбинированный водонагреватель, осушитель и охладитель» (Combined Water Heater, Dehumidifier and Cooler, WHDC).
Цель данного проекта – разработка технологии компактного и недорогого комбинированного нагрева воды, осушения и охлаждения воздуха (WHDC). Система осушает воздух и использует его энергию для нагрева воды. Конденсированная вода впоследствии может быть возвращена в высушенный воздух, методом испарительного охлаждения; или, когда требуется только осушение, ее можно просто слить из системы в накопитель дождевой/технической воды. Эта технология использует «скрытую» теплоту охлаждения для подготовки горячей воды, что приводит к значительной экономии энергии, которая ранее требовалась отдельно для нагрева воды и кондиционирования. Система контролирует уровень влажности в жилых зданиях, что обеспечивает комфорт и здоровую атмосферу.
В основе системы лежит чрезвычайно компактный открытый абсорбционный цикл, в котором водяной пар выделяет скрытую теплоту в абсорбер. Высвобождаемое тепло впоследствии передается технологической воде, которая охлаждает абсорбент. Раствор регенерируется в десорбере, где он нагревается жидкостью. Водяной пар, образующийся в десорбере, конденсируется, и тепло его фазового перехода также передается технической воде. Технология не содержит десикантов и реализована благодаря т. н. усовершенствованным поверхностным структурам поглощения и десорбции. Предлагаемая технология также включает в себя недавно разработанную нетоксичную ионную жидкость (IL), не вызывающую коррозию, которая не кристаллизуется при охлаждении ниже температуры замерзания воды. Это особенно важно для разработки надежного цикла и его широкого распространения в разных климатических зонах: смешанная влажная, жаркая и прибрежная морская зоны. По расчетам, при типичных условиях работы за счет скрытой >теплоты система обеспечивает подачу 1,63 единиц тепла для нагрева воды в ГВП на 1 единицу потребляемой энергии, одновременно снижая потребляемую кондиционером энергию на 0,63 единицы. Принимая во внимание все формы потерь и сценарий использования резервного источника тепла (если влажность недостаточна), ожидается, что общегодовой коэффициент использования первичной энергии (EF) данной системы составит около 1,14.
Кроме того, данное устройство позволяет экономить энергию при осушении подвалов с повышенной влажностью.
Дополнительная экономия достигается снижением скрытой тепловой нагрузки на систему охлаждения с помощью осушения.
Рис. 2. Блок-схема установки WHDC
Третья технология – мембранный кондиционер
Компания Dais Analytics, США, разрабатывает новый мембранный кондиционер на крыше, который вместо обычных химикатов в качестве хладагента будет использовать обычную воду. Эта технология не только идеально подходит для душных, влажных летних ночей, но также может сэкономить 30-50% электроэнергии по сравнению с современными крышными кондиционерами.
Мембранная технология NanoAir HVAC переносит молекулы воды через запатентованную нано-структурную полимерную мембрану, а в целом, устройство контролирует влажность и температуру без использования каких-либо фторуглеродных хладагентов. Мембранный блок обдувается влажным воздухом, который нужно осушить и охладить, тепло отводится через пластинчатый теплообменник. Нано-мембрана обеспечивает очень быстрое и избирательное проникновение молекул воды под небольшим перепадам давления паров через твердый пластик, обеспечивая изотермическое осушение воздушных потоков и испарительное охлаждение ниже локальных температур «точки росы».
Команда проекта готовит полностью функциональный комплектный крышный блок (RTU) для последующего тщательного тестирования и оценки в Национальной лаборатории в Оак-Ридже (ORNL), США, после чего будет выпущена пилотная серия установок. Уже имеющиеся результаты показывают, что данная конструкция демонстрирует снижение потребления электроэнергии на 30-50%, по сравнению с сегодняшними моделями RTU. При этом нет необходимости применять дорогостоящие и экологически опасные хладагенты.
Эта технология впоследствии сможет внедряться во многих различных решениях для охлаждения, вентиляции и кондиционирования воздуха. В будущем этот проект будет использован как для охлаждения, так и для отопления помещений.
Рис. 3. Прототип мембранного крышного кондиционера большой мощности
Четвертая технология – твердотельный тепловой насос
Хорошие перспективы для разработки теплового воздушного насоса нового типа имеет электрокалорическая твердотельная технология, которая обеспечивает охлаждение помещения без использования каких-либо химических хладагентов. Эта технология идеально подходит для жилых и небольших коммерческих зданий. Маленькое и практически бесшумное устройство будет потреблять на 25% энергии меньше, чем нынешние кондиционеры, работающие по принципу сжатия/расширения паров на основе хладагента. В оборудовании будет намного меньше механических деталей, подверженных износу, что, безусловно, повысит общую надежность устройства и уменьшит риск поломки кондиционера.
Охладительный электрокалорический тепловой насос может обеспечить сезонный EER>2,5. Особые перспективы эта технология имеет не только для домашних систем, но и для автомобильных кондиционеров и систем климат-контроля.
Электрокалорический эффект (ECE) – это физическое явление, обнаруженное в диэлектрических материалах, которые в электрическом поле проявляют свойства диполя. При изменении электрического поля происходит изменение дипольного порядка молекул внутри некоторых материалов (например, особой керамики) и, следовательно, к изменению энтропии дипольной подсистемы. Это проявляется в нагревании или охлаждении электрокалорического материала, с помощью приложенного в адиабатических условиях электрического поля. Эффект ECE не следует путать с эффектом Пельтье.
Технология ECE потенциально может быть использована для применения в различных областях, таких как устройства обогрева и охлаждения нового поколения. Эти технологии обладают бóльшим КПД, экологичны и имеют более высокую энергоэффективность, по сравнению с существующими охлаждающими устройствами.
Микроскопическая физическая картина эффекта ECE еще не до конца понятна ученым. Но в целом, считается, что ECE представляет собой энтропийный обмен между двумя энергетическими или энтропийными «резервуарами» то есть диполярной и тепловой энтропийными подсистемами, которые зависят от изменений внешнего электрического поля в адиабатических условиях. В частности, изменения электрического поля вызывают изменение дипольного состояния в диэлектрическом материале с менее упорядоченного на более упорядоченное. И наоборот, это приводит к уменьшению упорядоченности, когда электрическое поле снимается. Адиабатически приложенное электрическое поле смещения приводит к увеличению температуры материала. В то же время, адиабатическое отключение внешнего поля вызывает охлаждение материала. В результате уменьшения энтропии колебаний решетки, температура материала снижается, что компенсирует увеличение энтропии дипольной подсистемы. В обоих случаях общая энтропия всей системы остается постоянной, как и во время адиабатического процесса.
Если все пойдет так, как запланировано разработчиками, тогда эта технология может полностью вытеснить традиционные кондиционеры с компрессорами.
Рис. 4. Твердотельный тепловой насос для охлаждения: внешний вид и схема работы
Пятая технология – накопитель энергии
А что, если создать систему хранения энергии, которая бы интегрировалась с блоками оборудования HVAC? Как с помощью утилизации отработанного тепла, которое просто «теряется» в традиционных системах, снизить общие энергетические потребности систем кондиционирования воздуха? НИОКР в этом направлении показали, что интеграция наземного многофункционального накопителя энергии с кондиционерами (или с другим традиционным оборудованием HVAC для отопления и вентиляции) может сэкономить до 70% энергии и улучшить коэффициент полезного действия системы HVAC (в виде COP) на 35%.
Разработка такой наземной установки, под названием Ground-Level Integrated Diverse Energy Storage (GLIDES) показала, что эта система способна интегрировать и использовать низкотемпературное тепло, при этом, снижая энергопотребление систем переменного тока. Эта система обеспечивает более эффективное сочетание возможностей инженерных систем зданий и электросети, которое будет способствовать повышению уровня проникновения возобновляемой энергии и повышению устойчивости электрических сетей.
Применение системы GLIDES нацелено на следующие результаты:
в автономных зданиях:
- хранить энергию из возобновляемых источников для использования в то время, когда генерация из ВИЭ невозможна или недостаточна.
в зданиях, подключенных к электросети:
- снизить пиковое потребление из сети;
- уменьшить общее потребление покупной электроэнергии;
- повысить надежность электросети; влияние на электросеть:
- создание сети накопителей энергии, способных уменьшить пиковую нагрузку и сдвинуть по времени максимальное энергопотребление на другое время, когда в электросети ощущается недостаток потребления;
- способом сглаживания графика потребления, улучшить качество самой электроэнергии – по частоте и напряжению.
Цели, которые ставили перед собой разработчики GLIDES – разработать оригинальную недорогую технологию хранения избытка тепла для зданий, а также, для крупномасштабных модульных накопителей при гидроаккумулировании энергии в промышленном секторе.
Рис. 5. Схема наземной многофункциональной интегрированной системы хранения энергии
Концепция системы GLIDES ясна из рис. 5. Слева показано первоначальное состояние системы. Жидкость из внешнего резервуара перекачивается в гидропневматический аккумулятор, размеры которого определяются исходя из мощ-ности и максимальной расчетной накопительной способности системы. Для этого используется электроэнергия из внешней сети в подходящее для этого время (например, ночью). Также для первичной зарядки системы GLIDES может быть использована временно избыточная энергия из ВИЭ-генераторов – от солнечных панелей и ветряков. Жидкость, подаваемая в гидропневматический аккумулятор, сжимает газ (воздух) в ней, однако уровень давления при этом невысокий и не превышает несколько бар. Повысить степень сжатия газа можно за счет его нагревания способом прямого нагрева или рекуперированной тепловой энергии от разных источников тепла, которое обычно теряется (см. рис. 5, справа). Таким источником могут быть и фототермальные солнечные панели. Тепло от разных источников через ряд отдельных теплообменников поступает в гидропневмоаккумулятор и нагревает сжатый газ, дополнительно повышая его давление. Когда наступает время использовать накопленную энергию, жидкость из накопителя подается на высокоскоростную турбину Пэлтона, к которой подключен генератор. Электроэнергия от генератора подается в сеть или используется на локальные нужды – это общая схема работы. Имеющиеся прототипы демонстрируют надежность работы, высокую энергоемкость, небольшие габариты (для коттеджных систем) и хорошие перспективы создания мощных устройств, аккумулирующих энергию от больших источников бросового тепла в разных отраслях промышленности – от пекарен и прачечных, до металлургических гигантов.
Инженеры всего мира упорно работают над совершенствованием существующей техники для климат-контроля. Однако еще остается широкое поле для новых разработок на оригинальных принципах, которые в перспективе смогут прийти на замену существующим технологиям создания и поддержания микроклимата и подготовки воздуха в зданиях.
По материалам публикаций: U.S. Department of Energy’s Building Technologies Office
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 7 273
