Analiza termodynamiczna i exergoekonomiczna słonecznego systemu chłodniczego LiBr/H₂O z eżektorem i trójwarstwowym magazynem cieplnym

Dlaczego chłodniejsze budynki potrzebują mądrzejszej energii słonecznej

W miarę jak coraz gorętsze lata i rosnący standard życia zwiększają zapotrzebowanie na klimatyzację, zwłaszcza w słonecznych rejonach, zapewnienie komfortu bez przeciążania sieci energetycznych stało się palącym wyzwaniem. W tym badaniu opisano sprytne podejście do przekształcania obfitego światła słonecznego w niezawodne chłodzenie, wykorzystujące system chłodniczy, który oszczędnie korzysta z elektryczności, za to czerpie energię z ciepła. Łącząc kolektory słoneczne, warstwowy zbiornik na gorącą wodę i specjalny urządzenie przypominające dyszę, badacze pokazują, jak zapewnić chłodzenie budynków wydajniej i taniej niż przy użyciu konwencjonalnego absorpcyjnego chłodziarki zasilanej słońcem.

Inny sposób wytwarzania zimna

Większość klimatyzatorów opiera się na sprężarkach elektrycznych, które mocno obciążają sieć i pośrednio spalanie paliw kopalnych. Opisywany system działa inaczej: jego główną siłą napędową jest ciepło, a nie energia elektryczna. Roztwór bromku litu i wody pełni rolę czynnika roboczego w cyklu absorpcyjnym, który można zasilać gorącą wodą z kolektorów słonecznych. Autorzy idą krok dalej, dodając eżektor supersoniczny — element bez ruchomych części, wykorzystujący strumień płynu o dużej prędkości do zasysania i częściowego sprężania innego strumienia. Eżektor odzyskuje energię, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana, co pomaga zmniejszyć ilość ciepła potrzebnego do napędzania cyklu. Trójwarstwowy zbiornik magazynujący ciepło, zasilany kolektorami rurowymi ze szklanym pokryciem próżniowym, przechowuje energię słoneczną w wyraźnie oddzielonych strefach gorącej, ciepłej i chłodnej wody, dzięki czemu system może działać stabilnie w miarę zmiany nasłonecznienia w ciągu dnia.

Jak współdziałają słońce, magazyn i eżektor

W proponowanym układzie promienie słoneczne nagrzewają wodę w dachowych kolektorach słonecznych, która następnie zasila pionowy zbiornik magazynowy podzielony na trzy warstwy temperaturowe. Najgorętsza woda gromadzi się u góry, skąd dostarcza stabilne ciepło do generatora chłodziarki absorpcyjnej; środkowa warstwa pełni funkcję buforu, a najchłodniejsza osiada na dole. To warstwowanie zmniejsza wahania temperatury i lepiej wykorzystuje zasób słoneczny. Roztwór bromku litu absorbuje i uwalnia parę wodną podczas krążenia między generatorem, absorberem, skraplaczem i parownikiem, wytwarzając schłodzoną wodę do chłodzenia budynku. Eżektor zastępuje prosty zawór rozprężny, dzięki czemu zamiast pozwalać na spadek ciśnienia i rozproszenie energii, strumień o dużej prędkości pomaga wciągnąć parę o niższym ciśnieniu i częściowo ją sprężyć, odciążając inne podzespoły i poprawiając ogólną sprawność.

Pomiary wydajności i kosztów

Aby oszacować korzyści, badacze zbudowali szczegółowy model komputerowy śledzący masę, energię i jakość energii w każdej części systemu. Wykorzystali rzeczywiste godzinowe dane pogodowe z Kabulu w Afganistanie — miasta o silnym letnim nasłonecznieniu i dużym zapotrzebowaniu na chłodzenie — aby sprawdzić, jak system zachowa się w typowy, bezchmurny letni dzień. Poza standardowymi miarami efektywności, takimi jak współczynnik wydajności (ile chłodu dostarczono na jednostkę zasilania cieplnego), analizowali też egzergię, która odzwierciedla, ile z dostarczonej energii pozostaje naprawdę użyteczne po stratach, i przeliczali te techniczne wnioski na wartości pieniężne. Przypisując koszty sprzętu i uwzględniając jakość energii przepływającej przez system, mogli ocenić nie tylko, jak dobrze system chłodzi, ale także jak ekonomicznie działa w całym okresie eksploatacji.

Co mówią liczby

Wyniki pokazują, że połączenie kolektorów słonecznych, warstwowego magazynu i eżektora istotnie poprawia wydajność w porównaniu z prostszą solarną chłodziarką absorpcyjną. Przy silnym nasłonecznieniu w południe, około 973 watów na metr kwadratowy, zoptymalizowana konfiguracja osiąga współczynnik wydajności równy 0,74 oraz miarę wydajności słonecznej 0,58. Dodanie eżektora zwiększa efektywność chłodzenia o około 12–13 procent i poprawia jakość wykorzystania energii o około 11 procent, przy jednoczesnym zmniejszeniu nakładów inwestycyjnych ogółem o około 9 procent. Trójwarstwowy zbiornik utrzymuje wyraźną różnicę temperatur przekraczającą 20 stopni Celsjusza między najgorętszą a najchłodniejszą strefą w południe, dostarczając stabilne źródło ciepła do generatora nawet przy zmiennych warunkach zewnętrznych. Badania optymalizacyjne dodatkowo wskazują temperaturę generatora i charakter ssania eżektora jako kluczowe dźwignie do wyważenia efektywności i kosztów.

Co to oznacza dla przyszłego chłodzenia

Dla odbiorców niebędących specjalistami główny przekaz jest taki, że przemyślana przebudowa sposobu, w jaki przenosimy ciepło w systemie chłodzenia, może uczynić napędzaną słońcem klimatyzację znacznie bardziej praktyczną i przystępną cenowo. Poprzez magazynowanie ciepła słonecznego w warstwowym zbiorniku i recykling spadków ciśnienia za pomocą eżektora, koncepcja ta dostarcza więcej chłodu z tej samej ilości promieniowania słonecznego, jednocześnie ograniczając koszty sprzętu i eksploatacji. Jeśli zostanie rozwinięta i wdrożona na dużą skalę, takie systemy mogłyby pomóc słonecznym, borykającym się z ograniczeniami zasilania regionom zaspokoić rosnące potrzeby chłodzenia przy mniejszych emisjach i mniejszym uzależnieniu od konwencjonalnych, energochłonnych klimatyzatorów.

Cytowanie: Chammam, A., Abbood, R.S., Majid, S.H. et al. Thermodynamic and exergoeconomic analysis of a solar-assisted LiBr/H₂O ejector–absorption refrigeration system with triple-layer thermal storage. Sci Rep 16, 9435 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41158-2

Słowa kluczowe: chłodzenie słoneczne, chłodnictwo absorpcyjne, magazynowanie energii cieplnej, technologia eżektora, efektywność energetyczna