Trong khuôn khổ công nghệ điều hòa không khí chạy bằng nhiệt bằng năng lượng mặt trời, làm lạnh hấp thụ và làm lạnh hấp phụ đại diện cho hai con đường phát triển chủ đạo song song. Cả hai đều sử dụng năng lượng nhiệt do bộ thu năng lượng mặt trời tạo ra làm nguồn truyền động, tuy nhiên chúng khác nhau cơ bản về cơ học chu trình nhiệt động lực học, lựa chọn chất lỏng làm việc, kiến trúc hệ thống và đặc tính vận hành. Hiểu được những khác biệt này là điều kiện tiên quyết cần thiết để lựa chọn và thiết kế hệ thống kỹ thuật.
1. Sự khác biệt cơ bản trong nguyên tắc làm việc
Làm lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời dựa vào mối quan hệ hòa tan hóa lý giữa chất hấp thụ chất lỏng và chất làm lạnh để điều khiển chu trình. Chất làm lạnh hòa tan vào chất hấp thụ tạo thành dung dịch, sau đó được làm nóng trong máy phát điện bằng năng lượng nhiệt mặt trời. Chất làm lạnh bay hơi và tách ra, sau đó trải qua quá trình ngưng tụ, giãn nở và bay hơi để tạo ra sự làm mát. Hơi môi chất lạnh áp suất thấp sau đó được hấp thụ lại bởi chất hấp thụ, hoàn thành một chu trình đầy đủ. Toàn bộ quá trình xảy ra liên tục giữa pha lỏng và pha hơi - đây là một chu kỳ liên tục ở trạng thái ổn định .
Làm lạnh hấp phụ bằng năng lượng mặt trời sử dụng các đặc tính hấp phụ và giải hấp nhiệt vật lý của chất hấp phụ rắn để điều khiển chu trình. Chất hấp phụ thu giữ hơi môi chất lạnh ở nhiệt độ thấp, tạo ra hiệu ứng làm mát. Sau đó, năng lượng nhiệt mặt trời làm nóng chất hấp phụ, gây ra quá trình giải hấp - hơi môi chất lạnh được giải phóng, đi vào thiết bị ngưng tụ và hóa lỏng để tái sinh. Bởi vì chất hấp phụ rắn không thể chảy liên tục như chất lỏng nên sự hấp phụ và giải hấp thay thế trong cùng một lớp hấp phụ. Đây là một chu kỳ bán tĩnh không liên tục .
Sự khác biệt cơ bản này tạo ra sự khác biệt giữa hai loại hệ thống về tính liên tục trong hoạt động, cấu trúc thiết bị và phương pháp điều khiển.
2. So sánh quy trình chu trình nhiệt động
Chu trình bốn giai đoạn của làm lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời
Chu trình nhiệt động tiêu chuẩn của hệ thống làm lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời bao gồm bốn quy trình cốt lõi:
Thế hệ: Dung dịch loãng trong máy phát điện được làm nóng bằng nước nóng năng lượng mặt trời - thường ở khoảng 80°C đến 100°C đối với các hệ thống hiệu ứng đơn. Chất làm lạnh bay hơi và nồng độ dung dịch tăng lên tạo thành dung dịch đậm đặc.
ngưng tụ: Hơi môi chất lạnh ở nhiệt độ cao, áp suất cao đi vào thiết bị ngưng tụ, giải phóng nhiệt vào nước làm mát hoặc không khí và hóa lỏng thành chất làm lạnh lỏng áp suất cao.
sự bay hơi: Chất làm lạnh dạng lỏng đi qua van giãn nở, giảm áp suất và đi vào thiết bị bay hơi. Trong điều kiện áp suất thấp, nhiệt độ thấp, nó hấp thụ nhiệt và bay hơi - đây là giai đoạn cốt lõi mà hệ thống tạo ra hiệu ứng làm mát.
Hấp thụ: Hơi môi chất lạnh áp suất thấp đi vào thiết bị hấp thụ, tại đây nó được hấp thụ bởi dung dịch đậm đặc đồng thời giải phóng nhiệt cho môi trường làm mát. Dung dịch được pha loãng lại, được điều áp bằng bơm dung dịch và quay trở lại máy tạo để hoàn thành chu trình.
Trong hệ thống nước lithium bromide, nước đóng vai trò là chất làm lạnh và lithium bromide là chất hấp thụ. Chu trình hoạt động trong điều kiện áp suất âm, với nhiệt độ làm mát tối thiểu trên 0°C, khiến nó rất phù hợp với nhiệm vụ điều hòa không khí. Hệ thống nước amoniac sử dụng amoniac làm chất làm lạnh và có thể đạt được nhiệt độ làm mát dưới 0, mang lại phạm vi ứng dụng rộng hơn - mặc dù phải trả giá bằng áp suất vận hành hệ thống cao hơn và yêu cầu niêm phong nghiêm ngặt hơn.
Chu trình luân phiên hai giường của máy làm lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời
Một hệ thống làm lạnh hấp phụ tiêu chuẩn sử dụng hai lớp hấp phụ hoạt động luân phiên để mang lại hiệu quả làm mát gần như liên tục:
Giai đoạn làm mát hấp phụ: Một lớp hấp phụ được duy trì ở nhiệt độ thấp. Chất hấp phụ rắn - điển hình là silica gel - liên tục hấp thụ hơi môi chất lạnh từ thiết bị bay hơi. Chất làm lạnh bay hơi trong điều kiện áp suất thấp, nhiệt độ thấp bên trong thiết bị bay hơi, hấp thụ nhiệt và tạo ra sự làm mát.
Giai đoạn gia nhiệt-giải hấp: Nước nóng năng lượng mặt trời làm nóng lớp hấp phụ bão hòa. Khi nhiệt độ chất hấp phụ tăng lên, một lượng lớn hơi môi chất lạnh được giải hấp và giải phóng vào thiết bị ngưng tụ, nơi chúng hóa lỏng. Chất làm lạnh dạng lỏng sau đó được giãn nở và quay trở lại thiết bị bay hơi, chuẩn bị hệ thống cho chu trình hấp phụ tiếp theo.
Quá trình thu hồi nhiệt: Hệ thống hấp phụ hiệu suất cao kết hợp một bộ tái sinh nhiệt trao đổi năng lượng nhiệt giữa lớp nhiệt độ cao đang trong quá trình giải hấp và lớp nhiệt độ thấp trong giai đoạn hấp phụ. Điều này làm giảm yêu cầu đầu vào nhiệt tổng thể và cải thiện COP. Thiết kế thu hồi nhiệt là một trong những chiến lược tối ưu hóa hiệu quả quan trọng trong hệ thống lạnh hấp phụ.
Khoảng thời gian chuyển đổi giữa hai giường xen kẽ thường từ vài phút đến vài chục phút. Công suất làm mát thể hiện một mức độ dao động trong quá trình chuyển đổi - một đặc tính vận hành đặc biệt giúp hệ thống hấp phụ khác biệt với chu trình liên tục của hệ thống hấp thụ.
3. Kết hợp nhiệt độ lái xe và bộ thu năng lượng mặt trời
Nhiệt độ nguồn nhiệt truyền động là một trong những thông số quan trọng nhất trong việc lựa chọn hệ thống điều hòa không khí chạy bằng nhiệt năng lượng mặt trời.
Làm lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời đòi hỏi nhiệt độ lái xe tương đối cao hơn. Nhiệt độ vận hành tối thiểu đối với máy làm lạnh lithium bromide tác dụng đơn là khoảng 75°C đến 80°C, trong khi các thiết bị tác dụng kép yêu cầu 150°C trở lên. Hoạt động ổn định thường yêu cầu các bộ thu ống chân không hoặc các bộ thu cô đặc như bộ tập trung parabol hỗn hợp (CPC). Nhiệt độ truyền động cao hơn sẽ làm tăng áp suất bay hơi trong máy phát điện và cải thiện hiệu suất chu trình. Hệ thống hiệu ứng kép đạt được COP từ 1,0 đến 1,2, cao hơn đáng kể so với hệ thống hiệu ứng đơn ở mức 0,6 đến 0,8.
Hệ thống làm lạnh hấp phụ bằng năng lượng mặt trời hoạt động trong phạm vi nhiệt độ lái xe thấp hơn. Cặp làm việc silica gel-nước hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ 60°C đến 85°C, phù hợp trực tiếp với phạm vi nhiệt độ hoạt động của bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng - không cần thiết bị thu nhiệt độ cao. Đặc tính này mang lại cho hệ thống hấp phụ khả năng thích ứng mạnh hơn ở những vùng có bức xạ vừa phải hoặc trong quá trình hoạt động vào mùa đông. Cặp làm việc zeolite-nước yêu cầu nhiệt độ truyền động cao hơn một chút từ 100°C đến 200°C nhưng đạt được khả năng giải hấp hoàn toàn hơn, khiến nó phù hợp với các ứng dụng chất lượng nguồn nhiệt cao hơn. Cặp làm việc than hoạt tính-metanol có thể được điều khiển ở nhiệt độ thấp tới 50°C đến 80°C, mặc dù độc tính và tính dễ cháy của metanol đặt ra các yêu cầu thiết kế an toàn và bịt kín khắt khe hơn.
4. COP của hệ thống và hiệu suất sử dụng năng lượng hiệu quả
Trong điều kiện thu năng lượng mặt trời tương đương, hai loại hệ thống cho thấy sự khác biệt có thể đo lường được về hiệu suất năng lượng.
Máy làm lạnh hấp thụ lithium bromide tác dụng đơn thường đạt được COP nhiệt từ 0,6 đến 0,8, trong khi các thiết bị tác dụng kép có thể vượt quá 1,0. Tuy nhiên, hệ thống hiệu ứng kép đòi hỏi mảng thu lớn hơn đáng kể và đầu tư thiết bị phụ trợ cao hơn. COP năng lượng mặt trời tổng thể - tính đến hiệu suất thu gom - nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,5.
Hệ thống hấp phụ nước-gel silica thường mang lại COP nhiệt từ 0,4 đến 0,6, thấp hơn hệ thống hấp thụ. Tuy nhiên, do chúng tương thích với các bộ thu tấm phẳng nhiệt độ thấp hơn nên hiệu suất của bộ thu tương đối cao và việc sử dụng năng lượng mặt trời tổng thể tương đương với các hệ thống hấp thụ hiệu ứng đơn. Sự ra đời của các vật liệu hấp phụ tiên tiến - bao gồm vật liệu zeolit AQSOA và vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOF) - đang dần dần thu hẹp khoảng cách COP. Một số kết quả thí nghiệm với những vật liệu này đã vượt quá 0,8.
5. Cấu trúc hệ thống và đặc điểm bảo trì
Hệ thống làm lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời kết hợp nhiều bộ phận bao gồm bơm dung dịch, máy phát điện, bộ hấp thụ, bình ngưng, thiết bị bay hơi và bộ trao đổi nhiệt. Kiến trúc hệ thống tương đối phức tạp, với các yêu cầu nghiêm ngặt về độ tinh khiết của chất lỏng làm việc và độ kín của hệ thống. Dung dịch lithium bromide có nguy cơ kết tinh và ăn mòn ở nhiệt độ cao hoặc khi tiếp xúc với không khí, cần phải theo dõi nồng độ định kỳ và bổ sung chất ức chế ăn mòn. Bảo trì đòi hỏi nhân viên kỹ thuật có trình độ.
Hệ thống làm lạnh hấp phụ bằng năng lượng mặt trời được xây dựng xung quanh các lớp hấp phụ rắn làm thành phần cốt lõi của chúng. Không có mạch bơm chất lỏng làm việc và hệ thống không chứa các bộ phận chuyển động ngoài quạt làm mát. Điều này dẫn đến một hệ thống có cấu trúc đơn giản, đáng tin cậy về mặt cơ học với tỷ lệ hỏng hóc thấp và khối lượng công việc bảo trì tối thiểu. Sự cân bằng là thể tích lớp hấp phụ tương đối lớn - trọng lượng và diện tích hệ thống thường lớn hơn các đơn vị hấp thụ có công suất làm mát tương đương. Những hạn chế về không gian phải được đánh giá cẩn thận ở giai đoạn lập kế hoạch dự án.
6. Kịch bản ứng dụng và trường hợp sử dụng kỹ thuật
Máy làm lạnh hấp thụ năng lượng mặt trời lithium bromide đã có thành tích được thiết lập trong các tòa nhà thương mại lớn, khách sạn, bệnh viện và cơ sở công nghiệp. Các sản phẩm thương mại có công suất làm mát từ hàng chục kilowatt đến vài megawatt. Kết hợp với các trường thu năng lượng mặt trời tập trung, các hệ thống này có thể cung cấp nguồn cung cấp làm mát cho quy mô quận và hiện là công nghệ chiếm ưu thế trong các dự án làm mát khu vực năng lượng mặt trời.
Máy điều hòa không khí hấp thụ năng lượng mặt trời phù hợp hơn với các tòa nhà quy mô vừa và nhỏ, các ứng dụng làm mát phân tán và các trường hợp sử dụng ưu tiên độ tin cậy của hệ thống và mức độ bảo trì thấp — chẳng hạn như các trạm cơ sở viễn thông và cơ sở y tế ở những địa điểm không có lưới điện. Khi hiệu suất vật liệu hấp phụ tiếp tục nâng cao và chi phí hệ thống giảm, khả năng cạnh tranh của điều hòa không khí hấp thụ năng lượng mặt trời trong các ứng dụng dân dụng và thương mại nhỏ đang tăng lên đều đặn.
Cả hai công nghệ làm mát hấp thụ năng lượng mặt trời và hấp thụ năng lượng mặt trời đều chiếm vị trí riêng biệt và bổ sung cho nhau trong thị trường điều hòa không khí sử dụng năng lượng mặt trời rộng hơn. Việc lựa chọn giữa hai bên cuối cùng được xác định bởi chất lượng tài nguyên năng lượng mặt trời sẵn có, quy mô tải trọng của tòa nhà, điều kiện không gian và tổng cơ cấu chi phí vòng đời của từng dự án cụ thể.
