Термодинамический и эксергоэкономический анализ солнечно‑поддерживаемой абсорбционной холодильной установки LiBr/H₂O с эжектором и трёхслойным тепловым накопителем

Почему для прохлады в зданиях нужна более умная солнечная энергия

По мере того как более тёплые лета и растущий уровень жизни повышают спрос на кондиционирование воздуха, особенно в солнечных регионах, задача обеспечения комфорта без перегрузки энергосетей становится всё более острой. В этом исследовании рассматривается изящный способ превращения обильного солнечного излучения в надёжное охлаждение — с системой, которая потребляет мало электроэнергии, но «пьёт» тепло. Комбинируя солнечные коллекторы, послойный бак для горячей воды и специализированное струйное устройство, авторы показывают, как обеспечить охлаждение зданий более эффективно и с меньшими затратами, чем при использовании обычного солнечного абсорбционного холодильника.

Другой подход к созданию холода

Большинство кондиционеров опираются на электрические компрессоры, сильно нагружающие сеть и косвенно зависящие от ископаемого топлива. Система, рассмотренная здесь, работает иначе: её основным приводом служит тепло, а не электроэнергия. Рабочей смесью в абсорбционном цикле служит бромид лития и вода, и цикл может питаться горячей водой из солнечных коллекторов. Авторы идут дальше, добавляя сверхзвуковой эжектор — компонент без движущихся частей, который использует струю высокоскоростного флюида, чтобы втягивать и компримировать другой поток. Эжектор восстанавливает энергию, которая в противном случае терялась бы, снижая требуемое для работы цикла количество тепла. Трёхслойный тепловой накопитель, питаемый вакуум‑трубными солнечными коллекторами, аккумулирует солнечную тепловую энергию в чётко разделённых горячей, тёплой и холодной зонах, позволяя системе работать стабильно по мере изменения освещённости в течение дня.

Как солнце, накопитель и эжектор работают вместе

В предложенной схеме солнечный свет нагревает воду в кровельных солнечных коллекторах, которая затем поступает в вертикальный накопительный бак, разделённый на три температурных слоя. Самая горячая вода аккумулируется в верхней части, откуда она стабильно подаёт тепло генератору абсорбционного холодильника; средний слой служит буфером, а самый холодный оседает внизу. Такое расслоение уменьшает температурные колебания и эффективнее использует солнечный ресурс. Раствор бромида лития поглощает и отдаёт пар воды при циркуляции между генератором, абсорбером, конденсатором и испарителем, обеспечивая охлаждённую воду для систем кондиционирования. Эжектор заменяет простейший дроссельный клапан: вместо того чтобы просто сбрасывать давление и рассеивать энергию, струя высокой скорости помогает втянуть пар низкого давления и частично его рекомпримировать, снижая нагрузку на остальные компоненты и повышая общую эффективность.

Измерение производительности и стоимости

Чтобы количественно оценить преимущества, исследователи построили детальную компьютерную модель, отслеживающую массу, энергию и «качество» энергии во всех частях системы. Они использовали реальные почасовые метеоданные Кабула, Афганистан — города с интенсивным летним солнцем и высоким спросом на охлаждение — чтобы увидеть поведение системы в типичный ясный июльский день. Помимо обычных показателей эффективности, таких как коэффициент производительности (сколько холода даётся на единицу подведённого тепла), они также изучили эксергию, отражающую долю входной энергии, остающуюся действительно полезной после потерь, и перевели технические выводы в денежные термины. Присваивая стоимости оборудованию и качеству энергии, протекающей по системе, авторы могли оценить не только насколько хорошо система охлаждает, но и насколько экономична она в течение жизненного цикла.

Что показывают числа

Результаты показывают, что сочетание солнечных коллекторов, стратифицированного накопителя и эжектора заметно повышает производительность по сравнению с более простой солнечной абсорбционной установкой. При сильной полуденной инсоляции около 973 ватт на квадратный метр оптимизированная конфигурация достигает коэффициента производительности 0,74 и показателя солнечной эффективности 0,58. Добавление эжектора повышает эффективность охлаждения примерно на 12–13 процентов и улучшает качество использования энергии примерно на 11 процентов, одновременно снижая совокупные капитальные затраты примерно на 9 процентов. Трёхслойный накопитель поддерживает резкую разницу температур более чем в 20 градусов Цельсия между самой горячей и самой холодной зонами в полдень, обеспечивая стабильный источник тепла для генератора даже при колебаниях наружных условий. Исследования по оптимизации дополнительно выделяют температуру генератора и поведение всасывания эжектора как ключевые рычаги для балансировки эффективности и стоимости.

Что это значит для будущего охлаждения

Для неспециалистов главный вывод таков: продуманная перестройка способов переноса тепла в холодильной системе может сделать солнечное кондиционирование значительно более практичным и доступным. Хранение солнечного тепла в стратифицированном баке и повторное использование падений давления через эжектор позволяют давать больше холода от того же количества солнца, сокращая при этом расходы на оборудование и эксплуатацию. При развитии и масштабном внедрении такие системы могут помочь солнечным, энергозатруднённым регионам удовлетворять растущую потребность в охлаждении с меньшими выбросами и меньшей зависимостью от традиционных энергоёмких кондиционеров.

Цитирование: 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

Ключевые слова: солнечное охлаждение, абсорбционный холодильный цикл, накопление тепловой энергии, технология эжектора, энергоэффективность