För att utse vilka de kvalificerade komponenterna till kylningssystemen är vid respektive geografisk position har påverkande faktorer såsom kylbehovets storlek, städernas klimat samt respektive systemkomponents termodynamiska egenskaper beaktats. Utifrån detta har tre olika system utformats med varierande komponentkombinationer för att säkerställa att respektive systemkomponents inneboende egenskaper blir uppmärksammade och satt i förhållande till varandra. Dessa tre system har alltså förblivit oförändrade och simulerats likvärdigt för respektive geografisk position. Undantaget för detta har varit för valet av värmeavgivningsmetod då torrkylning och adiabatisk torrkylning ej lämpar sig vid höga omgivningstemperaturer. Då PISTACHE vidare inte kan ta hänsyn till denna faktor har ett aktivt beslut tagits att inte simulera samt jämföra påverkan och skillnaden mellan våtkylningstorn och torrkylningstorn vid särskilda städer. Med andra ord har valet av våtkylningstorn varit givet vid städerna: Fresno, Perth och Kapstaden. Detta då dessa städer ansågs erhålla en för hög omgivningstemperatur för att använda torrkylning eller adiabatisk torrkylning. Vid resterande städer har dock både våtkylningstorn och adiabatisk torrkylning simulerats och jämförts. Således har inte torrkylning varit ett aktuellt alternativ till värmeavgivningsmetod, detta eftersom dess kylkapacitet är betydligt lägre än den för adiabatisk torrkylning. Detta uppmärksammades genom simuleringar i PISTACHE.
Vid val av kyltekniker att simulera togs beslutet att använda singeleffekt absorption, dubbeleffekt absorption och adsorption. Detta beslut grundades på empiriska studier som visade att dessa typer av kyltekniker är de mest vanligt förekommande bland verkliga implementeringar av solkylningssystem. Med dessa tre olika kyltekniker inkluderar man därmed faktorer i undersökningen som rör exempelvis huruvida ett system blir överdimensionerat beroende på respektive kyltekniks kylkapacitet och utefter geografiska förutsättningar, eller huruvida det är möjligt att använda den mer miljövänliga kyltekniken adsorptionskyla till större krävande användningsområden. För varje kylteknik har vidare en värmepump med tillhörande kylkapacitet blivit utsedd som skall kunna möta det krävda kylbehovet för respektive geografisk position. De valda värmepumparna med inneboende egenskaper presenteras i tabell 5.
Tabell 5 – Valda värmepumpar för respektive kylteknik.
Reservkylare
Kylteknik Absorptionspump
singeleffekt Adsorptionspump Absorptionspump
dubbeleffekt Luftkyld scrollkompressor Tillverkare och modell YAZAKI - WFC SC 20 Fahrenheit - ZEO M30 BROAD - BH 15 York - YCAL Scroll Chiller 15 TR
Kylkapacitet [kW] 70.3 65 174 70
Termisk COP [-] 0.7 0.5 1.39
-Arbetspar LiBr/Vatten Zeolit/Vatten LiBr/Vatten
-Valda värmepumpar
29
Som kan ses i tabell 5 finns även en värmepump som använder en konventionell kylteknik. Denna värmepump har utsetts för att agera som en reserv-kylare till de huvudsakliga värmepumparna.
Även då systemen kommer dimensioneras så att de huvudsakliga värmepumparna kan producera minst 90% av kylbehovet, kommer de finnas tillfällen då denna siffra varierar eller minskar kraftigt i och med exempelvis dåligt väder, exempelvis molnigt eller regn, så att solfångarna inte kan producera värme till värmepumpen. Av denna anledning är en flexibel och effektiv värmepump önskvärd för att kunna bistå med producerad kyla som möter det resterande kylbehovet och utifrån denna anledning ansågs en konventionell kylare vara lämplig i och med deras allmänt kända högre COP. Av samma anledning kommer denna reservkylare vara driven på en extern värmekälla med varierad härkomst beroende på geografisk positionering. Vidare övervägdes det givetvis att använda miljövänligare kyltekniker till reservkylaren också. Ett sådant tilltänkt exempel var att använda adsorption med silica gel-vatten som arbetspar till reservkylaren. Detta ansågs vara effektivt eftersom maximal andel av energin från solen kan utnyttjas då adsorptionskylare med silica gel-vatten har en utmärkt förmåga att arbeta vid lägre arbetstemperatur, vilket därmed skulle innebära att adsorptionskylaren kunde arbeta med de lägre arbetstemperaturerna som huvudkylaren inte klarar av samt att den kan använda överbliven rest-värme som återkommer från kylbehovet för att producera kyla med. Men i och med adsorptionens låga verkningsgrad och att kyltekniken är så pass obeprövad som reservkylare, beslutades att konventionella kyltekniker är mest lämpligt för denna typ av reservkylning.
För att vidare kvalificera vilka arbetspar till värmepumparna som var lämpliga att använda vid respektive implementering, baserades detta beslut huvudsakligen på applikationsområdet och det medföljda kylbehovet. De arbetspar som ansågs mest lämpliga var därmed LiBr-H2O för absorptionsvärmepumparna och zeolitvatten för adsorptionsvärmepumpen, dessa kan också ses ovan i tabell 5. Arbetsparet H2O-NH3 ansågs vara opassande i och med arbetsparets sämre kylkapacitet samt att applikationsområdet inte krävde kylning under noll grader, därav användningen av LiBr-H2O för absorptionspumparna.
Några vidare viktiga komponenter i detta system är ackumulatortanken och kallvattentanken där volymen på dessa är faktorer som kan påverka flödet, verkningsgraden och produktionen av kyla, vilket har uppmärksammats genom simuleringar i PISTACHE. Då en av de avgränsningar som har gjorts för detta arbete är att ej utföra kostnadsberäkningar, kommer storleken på dessa tankar inte att optimeras för respektive utformat system. Detta eftersom värdet på tankvolymen är en direkt balansgång mellan ett hög-presterande system och ett kostnadseffektivt system. Tankvolymen valdes vidare till 2000 m3 för singeleffekt absorptionssystemet och adsorptionssystemet, medan dubbeleffekt absorptionssystemet utformas med en tankvolym på 3000 m3. Dessa värden på tankvolymerna identifierades genom att simulera systemen i PISTACHE för att finna en viss volym då systemet inte längre var begränsat av för små tankvolymer. Detta medför dock att tankvolymerna troligen kommer vara överdimensionerade och icke-kostnadseffektiva för de valda specifika volymerna.
30
Ytterligare en viktig komponent i systemet som däremot kommer att optimeras i detta arbete är solfångarna och det specifika antalet sådana för respektive system i respektive geografisk position.
Med andra ord kommer inte solfångararen för exempelvis adsorptionskylningssystemet vara densamma vid Perth och Fresno, dock kommer modellen av solfångare alltid vara ett paraboliskt tråg, av modell Absolicon T160, vid varje simulering i alla städer. Då solfångararean korrelerar starkt med hur stor kylkapacitet ett system har, har simuleringar utförts i PISTACHE för att finna det solfångararen för respektive system vid respektive geografisk position så att den huvudsakliga värmepumpen har tillräckligt stor tillgång på värme för att producera minst 90% av kylbehovet.
Till denna optimering uppmärksammades vidare att vid en viss punkt när solfångararean ökar, så ökar den producerade kylan av hela systemet inte lika mycket längre, utan istället börjar produktionen av kyla flacka. Detta innebär att vid denna punkt så kommer solfångararean inte längre kunna utnyttjas i samma grad per kvadratmeter, och av denna anledning har optimeringen av solfångare också syftat till att finna den punkt där som mest producerad kyla per kvadratmeter installerade solfångare kan erhållas.
Hur pass effektiva solfångarna är beror bland annat på verkningsgrad, driftstemperatur och solfångarens värmeförlustskoefficient. Systemen utformade med en singeleffekts-absorptionspump samt med en adsorptionspump har driftstemperaturer på 80 °C och har simulerats med en verkningsgrad på 76 %. Systemet utrustat med en dubbeleffekts-absorptionspump har en driftstemperatur på 155 °C och har simulerats med 55 % verkningsgrad. I takt med att driftstemperaturen ökar minskar verkningsgraden eftersom värmeförlusterna ökar.
Värmeförlustkoefficienten och värmeförlustkoefficienten i kvadrat har simulerats med värdena 0,3677 respektive 0,003224 för alla system. Den producerade kylans temperatur har simulerats vara 7 °C och det utrymme där lagringstankarna ämnas förvaras har simulerats ha en temperatur på 15 °C. Ovanstående information sammanfattas i tabell 6 nedan.
Tabell 6 - Sammanfattning av de simulerade systemens egenskaper och temperaturer.
Systemtyp ABS SE & ADS ABS DE
31
Slutligen, en komponent som vidare erhåller en viktig roll i ett solkylningssystem är den assisterande värmepannan. Denna komponent kommer, precis som reserv-kylaren, agera som en säkring ifall vädret exempelvis skulle vara molnigt eller varierande under en längre period så att värme inte kan produceras i tillräckligt stort omfång från solfångarna. Detta blir extra viktigt för absorptionskylaren med dubbeleffekt då den kräver en högre driftstemperatur än de två andra kylteknikerna för att vara effektiv. Denna värmepanna drivas av en extern energikälla som kan variera beroende på implementeringsområde. En begränsning som dock medföljde simuleringsverktyget PISTACHE var att en assisterande värmepanna inte kunde väljas i programmet, men praktiskt sett är detta däremot en väldigt viktig komponent att implementera i ett solkylningssystem för att få en kontinuerlig produktion.
32
5 Påverkande faktorer
Kommande avsnitt avser främst att besvara frågeställning 1 vilken lyder enligt följande: ”Vilka faktorer påverkar projekteringen av solkylningssystem och vilka komponenter behövs?”.
Frågeställningen besvaras huvudsakligen genom att beskriva vilka generella påverkande faktorer som finns vid utformandet av solkylningssystem och vad som bör övervägas vid komponentval till systemet. Av denna anledning kommer detta avsnitt erhålla en mycket teoretisk karaktär och besvaras i form av teori och insikter från litteraturstudier.
De identifierade påverkande faktorerna kan delas in i tre huvudkategorier och redogörs inledningsvis i listformat för att tydligt ge en överblick och struktur över följande kapitel.
Val av systemets beståndsdelar
• Tillgänglig yta för solfångare
• Kostnad för alternativa energikällor
De komponenter som ingår i solkylningssystemet avgör hur pass effektivt kylbehovet kan täckas sett till prestanda, ekonomi och miljö. För större tillämpningar utformas oftast system helt skräddarsytt vilket innebär att den som projekterar systemet behöver välja vilka systemets beståndsdelar ska vara och försäkra sig om att sammansättningen av dessa lämpar sig för ändamålet. En av systemets mest centrala komponenter är enligt tidigare beskrivet solfångarna eftersom de avgör hur mycket termisk energi som kan upptas och sedan omvandlas till kyla.
Förmågan att producera värme upp till en viss temperatur med en viss verkningsgrad skiljer sig markant mellan olika solfångartyper och även mellan solfångare av samma typ beroende på hur pass optimerade solfångarens interna delkomponenter är, exempelvis reflektor och absorbatorrör.
Vidare påverkar solfångararean kopplade till systemet givetvis hur väl det kan prestera, kostnader för systemet och miljömässiga frågor vilket föranleder optimering av solfångarantal. Det är inte nödvändigtvis så att den optimala solfångararean utifrån ett prestandaperspektiv är samma