ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2020/002-SE
Examensarbete 15 hp Juni 2020
Projektering och utvärdering av solkylningssystem
drivna med värme genererad från koncentrerande solfångare
Jacob Ekholm
Alexander Landberg Salomonsson
Abstract
Teknisk-naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten
Besöksadress:
Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0
Postadress:
Box 536 751 21 Uppsala
Telefon:
018 – 471 30 03
Telefax:
018 – 471 30 00
Hemsida:
http://www.teknat.uu.se/student
A pre-study and evaluation of solar cooling systems driven by heat generated from concentrating solar
collectors
Jacob Ekholm & Alexander Landberg Salomonsson
Heating and cooling currently accounts for approximately half of the world’s primary energy consumption. Since the most common technologies used today for generating heat and cooling are heavily contributing to increased emissions, the possibility of converting these technologies into renewable ones needs to be investigated. This study aims to investigate, design, and simulate several solar cooling systems driven by heat generated from concentrating solar collectors. Research was mainly executed through literature studies. Mapping of the influencing factors for solar cooling systems has also been carried out.
The identified essential influencing factors were: selection of components, application area and geographical positioning. Main components of solar cooling systems were thoroughly described in the theory chapter and a practical application was chosen to exemplify how solar cooling systems can be designed for different geographical regions. Simulations with the designed systems were performed through the software PISTACHE in order to study different systems performance. Discoveries made through simulations showed that double effect absorption pumps tended to be more beneficial in sunnier regions whilst single effect absorption pumps showed opposite results, at least from a performance standpoint.
Furthermore, performance seemed to decline in less sunny regions which meant that more solar collectors were required to meet the given cooling demand. One major conclusion that could be drawn was that solar cooling systems equipped with parabolic troughs more beneficially could be implemented in regions with approximate levels of direct normal irradiance above 2200 kWh/m2 per year.
Key words: absorption, adsorption, concentrating solar collectors, cooling, dni, optimization, pistache, solar cooling system
Handledare: Joakim Byström
Ämnesgranskare: Henrik Hermansson Examinator: Lars Degerman
ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2020/002-SE
i
Sammanfattning
I dagsläget består ungefär häften av världens totala energiförbrukning av värme- och kylbehov. Då metoderna för att generera värme och kyla ofta utgörs av konventionella tekniker som bidrar med förhållandevis höga koldioxidutsläpp, erhålls ett intresse av att konvertera dessa till miljövänliga alternativ. Studien syftar till att undersöka, utforma och simulera flera solkylningssystem som är drivna med termisk energi genererad från koncentrerande solfångare. Undersökningen, som har skett i form av litteraturstudier, har kartlagt de kriterier som påverkar utformningen av ett sådant system. De väsentliga påverkande faktorerna som iakttogs i denna studie var valet av systemkomponenter, applikationsområde och geografisk positionering av de utformade systemen.
Av denna anledning har solkylningssystemens olika komponenter beskrivits ingående i teoriavsnittet, samtidigt som en praktisk tillämpning har behandlats för att exemplifiera hur solkylningssystem kan utformas inom olika geografiska regioner. De utformade systemen har simulerats i programmet PISTACHE för att redogöra för hur de påverkande faktorerna korrelerar med systemens prestanda. Det upptäcktes genom simuleringar att dubbeleffekts- absorptionspumpar var gynnsamma vid soliga regioner medan singeleffekts-absorptionspumpar var gynnsamma vid mindre soliga. Vidare observerades en betydligt lägre prestanda för solkylningssystemen vid de mindre soliga regionerna, vilket medförde att antalet erfordrade solfångare ökade för att möta det givna kylbehovet vid respektive region. En slutsats från studien var att solkylningssystem med paraboliska tråg mer fördelaktigt kunde implementeras i regioner med en ungefärlig årlig genomsnittlig direkt solstrålning över 2200 kWh/m2. Att solkylningssystem installeras världen runt, inklusive vid mindre soliga regioner, kan vara en bidragande faktor till att hållbarhetsmålen nås och att en global hållbar utveckling erhålls.
Nyckelord: absorption, adsorption, DNI, koncentrerande solfångare, kyla, optimering, PISTACHE, solkylningssystem.
ii
Förord
Detta examensarbete är ett avslutande moment på högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik vid Uppsala universitet. Arbetet har utförts i samarbete med Absolicon Solar Collector AB under vårterminen 2020.
Vi vill rikta ett stort tack till vår handledare Joakim Byström som har väglett samt gett oss möjligheten att undersöka och ta oss ann ett ingenjörsuppdrag inom ett intressant område. Vi vill även tacka Jonatan Mossegård för givet engagemang och stöttning.
Dessutom vill vi tacka Pierre Oberlé, solenergi-och byggnadsexpert vid det franska institutet för solenergi (INES), för stöttning och expertis inom det använda simuleringsverktyget PISTACHE.
Slutligen tackar vi stort till Henrik Hermansson som med stort engagemang tagit sig an uppdraget som vår ämnesgranskare och bidragit med värdefull handledning.
Uppsala, juni 2020
Jacob Ekholm och Alexander Landberg Salomonsson
iii
Terminologi
ABS DE – Det utformade solkylningssystemet med dubbeleffekts-absorptionspump ABS SE – Det utformade solkylningssystemet med singeleffekts-absorptionspump ADS – Det utformade solkylningssystemet med adsorptionspump
COP – Coefficient of performance DNI – Direct normal irradiance GHI – Global horizontal irradiance IEA – International energy agency PTC – Parabolic trough collector
iv
Innehållsförteckning
1 INTRODUKTION --- 1
1.1BAKGRUND --- 1
1.2PROBLEMATISERING --- 2
1.3SYFTE --- 2
1.4FRÅGESTÄLLNINGAR --- 2
1.5AVGRÄNSNINGAR --- 3
2 METOD --- 4
2.1DESIGN AV STUDIEN --- 4
2.2DATAINSAMLINGSMETODER --- 5
2.3DATAANALYS --- 5
2.4VALIDITET OCH RELIABILITET --- 5
2.5ETISKA STÄLLNINGSTAGANDE --- 6
3 TEORI --- 7
3.1BESKRIVNING AV SOLKYLNINGSSYSTEM --- 7
3.2SYSTEMETS BESTÅNDSDELAR --- 9
3.2.1 Solfångare --- 9
3.2.2 Kylteknik --- 11
3.2.3 Värmeavgivningsmetod --- 18
3.2.3 Assisterande termiska system --- 20
3.2.4 Ackumulatortank och kallvattentank --- 21
3.3SIMULERINGSVERKTYGET PISTACHE --- 23
4 PRAKTISK TILLÄMPNING --- 24
4.1APPLIKATIONSOMRÅDE OCH KYLBEHOV --- 24
4.2GEOGRAFISK POSITIONERING --- 25
4.3KVALIFICERADE KOMPONENTER --- 28
5 PÅVERKANDE FAKTORER --- 32
5.1VAL AV SYSTEMETS BESTÅNDSDELAR --- 32
5.2GEOGRAFISK POSITIONERING --- 34
5.2.1 Luftfuktighet --- 35
5.2.2 Energikostnader --- 35
5.2.3 Tillgänglig yta --- 35
5.2.4 Eventuella bistånd --- 35
5.3APPLIKATIONSOMRÅDE --- 36
6. SCHEMATISK ILLUSTRERING --- 37
7. UPPSKATTAD PRESTANDA --- 40
7.1OPTIMERING AV SOLFÅNGARAREA --- 40
7.2UTVÄRDERING AV VÄRMEAVGIVNINGSMETOD --- 44
7.3SOLKYLNINGSSYSTEMENS PRESTANDA --- 46
7.3.1 Simulerade system för Perth --- 46
7.3.2 Optimerade system för respektive stad --- 50
v
8. ANALYS --- 52
8.1FRÅGESTÄLLNING 1 --- 52
8.2FRÅGESTÄLLNING 2 --- 52
8.3FRÅGESTÄLLNING 3 --- 53
9 DISKUSSION --- 55
9.1DISKUSSION --- 55
9.2METODDISKUSSION --- 58
10 SLUTSATS --- 59
10.1SLUTSATS --- 59
10.2FÖRSLAG PÅ FORTSATT ARBETE --- 60
REFERENSER --- 61
vi
Tabellförteckning
TABELL 1-FÖR- OCH NACKDELAR AV EN ABSORPTIONSKYLCYKEL --- 15
TABELL 2FÖR- OCH NACKDELAR AV EN ADSORPTIONSKYLCYKEL --- 17
TABELL 3-UNDERSÖKTA STÄDER MED TILLHÖRANDE DNI-OCH GHI-VÄRDE --- 25
TABELL 4-EXEMPELDATA AV GENOMSNITTLIG MÅNADSVIS TEMPERATUR FÖR PERTH --- 27
TABELL 5–VALDA VÄRMEPUMPAR FÖR RESPEKTIVE KYLTEKNIK --- 28
TABELL 6-SAMMANFATTNING AV DE SIMULERADE SYSTEMENS EGENSKAPER OCH TEMPERATURER --- 30
TABELL 7–KOMPONENTVAL FÖR RESPEKTIVE UTFORMAT OCH UNDERSÖKT SOLKYLNINGSSYSTEM --- 37
TABELL 8–STORHETER OCH BETECKNINGAR ANVÄNDA I DEN SCHEMATISKA ILLUSTRATIONEN --- 38
vii
Figurförteckning
FIGUR 1–SOLKYLNINGSSYSTEMETS GENERELLA STRUKTUR --- 8
FIGUR 2–PARABOLISKT TRÅG MED MARKERAD MOTTAGARYTA OCH APERTURYTA --- 10
FIGUR 3–SCHEMATISK ILLUSTRATION AV EN SINGELEFFEKT-ABSORPTIONSKYLCYKEL --- 12
FIGUR 4–SCHEMATISK ILLUSTRATION AV EN DUBBELEFFEKT-ABSORPTIONSKYLCYKEL MED SERIEFLÖDE --- 14
FIGUR 5-SCHEMATISK ILLUSTRATION FÖR EN GRUNDLÄGGANDE ADSORPTIONSKYLCYKEL --- 17
FIGUR 6-EFFEKTIVITETSJÄMFÖRELSE MELLAN TORRKYLNING OCH VÅTKYLNINGSTORN --- 19
FIGUR 7-VÄRMEAVGIVNINGSHASTIGHETEN FÖR DE TRE HUVUDSAKLIGA VÄRMEAVGIVNINGSMETODERNA --- 19
FIGUR 8-ILLUSTRATION AV HUR VÄRMEENERGI FRÅN SOLFÅNGARE OCH ACKUMULATORTANK KAN VÄXELDRA --- 22
FIGUR 9-VÄRLDSBILD AV DIREKT NORMAL SOLSTRÅLNING --- 26
FIGUR 10–EXEMPELDATA AV GENOMSNITTLIGT TIMVIS DNI FÖR PERTH --- 27
FIGUR 11-SCHEMATISK ILLUSTRATION FÖR DET UTFORMADE SOLKYLNINGSSYSTEMET I PERTH --- 38
FIGUR 12–OPTIMERING AV SOLFÅNGARAREA FÖR ABSSE-SYSTEMET VID PERTH --- 41
FIGUR 13-OPTIMERING AV SOLFÅNGARAREA FÖR ADS-SYSTEMET VID PERTH --- 42
FIGUR 14-OPTIMERING AV SOLFÅNGARAREA FÖR ABSDE-SYSTEMET VID PERTH --- 42
FIGUR 15-MULTIPEL FÖR OPTIMERING AV SOLFÅNGARAREA FÖR ABSDE-SYSTEMET VID PERTH --- 43
FIGUR 16–JÄMFÖRELSE MELLAN EL-OCH VATTENKONSUMTION FÖR SYSTEMET ABSSE I MADRID --- 44
FIGUR 17–PRESTANDAMÄSSIG JÄMFÖRELSE MELLAN VÅTKYLNING OCH ADIABATISK TORRKYLNING SOM VÄRMEAVGIVNINGSMETOD FÖR SYSTEMET ABSSE I MADRID --- 45
FIGUR 18-JÄMFÖRELSE MELLAN DE OLIKA UTFORMADE SOLKYLNINGSSYSTEMENS TERMISKA EGENSKAPER --- 47
FIGUR 19-DIAGRAM ERHÅLLNA FRÅN PISTACHE SOM REDOGÖR FÖR BESTRÅLNING PÅ SOLFÅNGARYTAN OCH ENERGIFÖRLUSTER SAMT PRODUKTION AV KYLA OCH KYLBEHOVET PÅ EN MÅNADSBASIS ÖVER ETT ÅRS TID --- 48
FIGUR 20-JÄMFÖRELSE MELLAN DE OLIKA UTFORMADE SOLKYLNINGSSYSTEMENS EKOLOGISKA INDIKATORER --- 49
FIGUR 21-JÄMFÖRELSE MELLAN DE OPTIMERADE SYSTEMENS KYLKAPACITET OCH SOLFÅNGARANTAL VID RESPEKTIVE VALD STAD --- 50
FIGUR 22-JÄMFÖRELSE MELLAN DE OPTIMERADE SYSTEMENS EKOLOGISKA INDIKATORER VID RESPEKTIVE VALD STAD --- 51
1
1 Introduktion
I det följande avsnittet presenteras en bakgrund och problematiseringen kring det globala användandet av icke-förnyelsebara energikällor för kyl-och värmebehovet bland dagens industrier och huruvida solkylningssystem kan komma att påverka denna sektor. Vidare redogörs projektets syfte, dess frågeställningar samt de avgränsningar som har begränsat arbetet.
1.1 Bakgrund
Samhället står idag inför enormt stora utmaningar avseende den globala uppvärmningen. FN har till följd av den allt mer ohållbara utvecklingen i världen upprättat globala mål som belyser olika aspekter av hållbarhet för att stagnera och motverka den negativa utveckling som skett, framförallt gällande koldioxidutsläppen som har ökat kontinuerligt varje år (NOAA/ESRL, 2019). Intresset för hållbarhet har skjutit i höjd på senare tid och allt fler har bestämt sig för att minimera sina ekologiska fotavtryck. Flera länder, och även delar av näringslivet, har gjort offentliga uttalanden om att deras totala nettoutsläpp av koldioxid ska vara neutralt till år 2050 (FN, 2019). År 2030 förväntas däremot storleken på världens medelklass uppgå till omkring fem miljarder människor, vilket både beror på den ökade genomsnittliga livskvaliteten och den ökade befolkningsmängden globalt (Kharas, 2017). Med en ökad köpkraft inom populationen förväntas konsumtionen av varor och energi också öka vilket företag, med stor sannolikhet, kommer göra gensvar på i form av ökad produktion. För att den ökade produktionen inte ska resultera i ännu högre påfrestningar på jordens resurser kommer förändringar behöva ske inom industriernas energianvändning.
Om hållbarhetsmålen ska nås kommer industrierna behöva få sina energibehov tillgodosedda på andra sätt än idag eftersom de till stor del drivs av icke-förnyelsebara energikällor (IEA, 2019). Enligt IEA (2019) går ungefär hälften av världens totala energiförbrukning till värme-och kylprocesser där industrin i sin tur sedan står för uppskattningsvis hälften av de totala värme-och kylbehoven. Av dessa värme-och kylbehov inom industrin uppgår ungefär 25% till processer under 150 °C vilket motsvarar ca 7% av den totala energianvändningen i världen (IEA, 2019). I nuläget produceras värme och kyla i många tillverkande industrier genom förbränning av fossila bränslen.
Detta kommer kräva förändring, dels för de deltagande länderna ska nå FN:s globala hållbarhetsmål men även om företagen ska nå sina egna uppsatta hållbarhetsmål.
Att förnyelsebar solenergi kan användas till upphettningsprocesser kan potentiellt vara ett alternativ till användning av fossila energikällor vilket kan verka uppenbart, men mindre intuitivt är att solenergi också kan användas till kylningsapplikationer. Inom industrin i Europa står kylning för ungefär 3% av den totala energikonsumtionen, vilket vidare kan anses vara en relativt liten andel vid första anblick, men som faktiskt ger upphov till en betydande stor del energiförbrukning globalt (Europeiska kommissionen, 2019). Med tanke på att ungefär 75% av värme och kyla fortfarande genereras av fossila bränslen finns stora potentiella miljömässiga vinningar att uthämtas vid en övergång till förnyelsebara energikällor (Europeiska kommissionen, 2019).
Övergången sker fördelaktigt med solenergi eftersom det är en av få förnyelsebara energikällor som jorden har ett lättillgängligt överflöd på.
2
Om industrier övergår till kylningssystem baserade på solenergi, som ersätter olja och gas, kan utsläpp och kostnader antagligen reduceras under vissa omständigheter. De möjliga alternativen är då att ta tillvara på solenergin med hjälp av solceller eller solfångare. Visserligen kan kylningssystem, utrustade med tekniker så som kompressorkylning, drivna av förnyelsebar elkraft vara ett möjligt hållbart alternativ. Dock leder detta till ett ännu mer överbelastat och instabilt elnät samtidigt som det medför externa energikostnader.
1.2 Problematisering
Kylningssystemen som brukas inom industrier idag är som tidigare nämnt ofta drivna av fossila bränslen vilket såklart är motstridigt för att industrierna ska bli koldioxidneutrala. Hur pass kvalitativ och snabb omställningen till användning av förnyelsebara energikällor sker, är av yttersta vikt för att lyckas nå de globala hållbarhetsmålen i tid.
Ett kylningssystem drivet av el genererad från solceller skulle till exempel kunna tänkas vara ett av många tillvägagångssätt för att reducera växthusgasutsläppen. Ett kylningssystem som huvudsakligen drivs direkt av termisk energi från solfångare är däremot betydligt effektivare än kylningssystem som huvudsakligen drivs av solceller om ändamålet avses vara uppvärmning eller kylning. Detta beror på att solcellerna först behöver omvandla solenergin till el och sedan tillbaka till värme/kyla från el. I och med att omvandlingssteget kan elimineras då solfångare används, kan större delen av solenergin omsättas till önskvärd energi (värme/kyla), vilket innebär att förluster undviks i energiomvandlingen och att en högre verkningsgrad därmed kan uppnås. Det finns få anledningar att producera kyla av elkraft när det med betydligt högre verkningsgrad och lägre energiförbrukning går att framställa genom solvärme (Tripanagnostopoulos, 2012). Med alla dessa till synes starka fördelar gentemot alternativa kylningssystem är solkylningssystem inte särskilt etablerat (endast cirka 25-30 installationer i världen med koncentrerande solfångare), vilket föranleder vidare undersökning av konceptet (Jakob, 2016). I och med att solkylning är en så pass komplex teknologi där optimala temperaturer och krävda verkningsgrader är svårbedömda i nuläget, samtidigt som standardiseringsnivåerna är låga, är resultatet av implementering av solkylningssystem inte alltid självklar (Jakob, 2016).
1.3 Syfte
Syftet med studien är förse företaget Absolicon Solar Collector AB med information om hur solkylningssystem kan utformas samt att uppskatta prestandan för olika solkylningssystem utformade med det paraboliska tråget Absolicon T160.
1.4 Frågeställningar
Utifrån syftet har följande frågeställningar behandlats:
1. Vilka faktorer påverkar projekteringen av solkylningssystem och vilka komponenter behövs?
2. Hur kan solkylningssystem utformas utifrån givna tillämpningsområden?
3. Vilken uppskattad prestanda erhålls av respektive utformat system?
3
1.5 Avgränsningar
I detta avsnitt beskrivs arbetets avgränsningar. Avgränsningarna syftar till de aktivt valda avgränsningar avseende områden i rapporten som inte belyses i större utsträckning, och som inte har inkluderats i undersökningens omfattning. Arbetets avgränsningar är följande:
• Undersökningen avser att endast jämföra de värmedrivna kylningssystemen absorption och adsorption, och har därmed inte jämfört dessa kyltekniker till större utsträckning med
konventionella kyltekniker.
• Studiens utformade solkylningssystem och simulerade värden har alla baserats på solfångartypen Absolicon T160. Inga andra solfångartyper har därmed testats vid
simulering av kylningssystemen.
• Ekologiska och ekonomiska faktorer som inte beträffas i simuleringsprogrammet
PISTACHE har inte jämförts kvantitativt.
• Inga ekonomiska beräkningar har utförts för systemen. De ekonomiska aspekterna har istället endast diskuterats på en grundläggande nivå för de respektive systemen.
• Vid beskrivning av systemets komponenter har mindre delkomponenter så som lösningspumpar, expansionsventiler och energiomvandlingsenheter inte beskrivits utförligt.
4
2 Metod
Följande avsnitt redogör studiens uppbyggnad, vilken metodik som använts för datainsamling och hur analysarbetet har utvecklats. Utöver detta har studiens reliabilitet och validitet behandlats för att säkerställa ett lämpligt urval av metoder för att rättvist kunna besvara rapportens frågeställningar.
2.1 Design av studien
Projektets frågeställningar har avsetts besvaras genom både kvalitativa och kvantitativa metoder.
För att besvara de två första frågeställningarna har litteraturstudier utförts för att samla in den kvalitativa information kring de faktorer, komponenter och krav som påverkar utformningen av ett solkylningssystem. Den tredje frågeställningen har besvarats mer kvantitativt då den baseras på numeriska data från ett simuleringsverktyg. För studiens två första frågeställningar har en deduktiv metod ansetts vara lämplig medan den tredje frågeställningen med fördel har angripits med en induktiv metod. Utifrån denna litteraturstudie har universella behov för användningsområdet respektive krav för solkylningssystem identifierats. En praktisk tillämpning har sedan valts för att tillämpa dessa identifierade behov och krav för solkylningssystem. Solkylningssystemens påverkande faktorer har besvarats främst med innehåll från litteraturstudien vilket därmed har agerat som den huvudsakliga källan till svaret på rapportens första frågeställning. I avsnittet där den praktiska tillämpningen har beskrivits kompletteras även svaret på den första frågeställningen.
För att besvara frågeställning 2 och 3 har en praktisk tillämpning valts för att utifrån denna kunna utse lämpliga systemkomponenter till tre systemkoncept. Dessa tre systemkoncept har sedan simulerats i programmet PISTACHE för att analysera, jämföra och utvärdera de olika systemkonceptens inneboende egenskaper. Resultaten av dessa simuleringar har sedan presenteras genom diagram och tabeller för att därmed huvudsakligen besvara rapportens tredje frågeställning.
Den praktiska tillämpningen har vidare inkluderat att undersöka sex geografiska platser med olika värden på “genomsnittlig årlig direkt solstrålning” inom intervallet 1608-2439 kWh/m2. De tre olika utformade solkylningssystemen har sedan simulerats inom respektive stad för att vidare utvärderas så att ett välanpassat system kan utses vid varje stad. För att kunna utföra dessa simuleringar vid varje geografisk position har väderfiler krävts, vilka har skapats genom programmet Excel utifrån externa väder-databaser. Utifrån ett av dessa välanpassade system vid en vald stad har sedan en schematisk illustration skapats för att ge en illustrativ bild över hur ett utformat solkylningssystem kan se ut och fungera. Med denna schematiska illustration har därmed rapportens andra frågeställning huvudsakligen besvarats. Fortsättningsvis har även solfångararean som behövs för ett solkylningssystem, samt vilken värmeavgivningsmetod som lämpats bäst vid respektive stad, undersökts. Dessa utvärderingar och simuleringar har även bidragit till att besvara frågeställning 1 och 3 på ett kvantitativt sätt och har vidare presenteras i form av bilagor.
5
2.2 Datainsamlingsmetoder
Vetenskapliga rapporter och artiklar har främst varit de källor som legat till grund för litteraturstudien och därmed metoden för datainsamling. Bland annat har kyltekniker, solkylningssystemets helhetsprincip och termodynamiska processer studerats för att bistå med relevant kunskap som därmed kan användas till att utvärdera och projektera olika framtagna koncept på ett adekvat sätt. Vidare har källor analyserats och studerats kritiskt eftersom information kring solkylningssystem, då det är ett så pass nytt forskningsområde, kan vara vinklade ur ett marknadsperspektiv för att intressera fler läsare och potentiella kunder. Med detta i åtanke har vetenskapliga artiklar använts för att bistå med pålitlig information. Vidare har information rörande kyltekniker och dess applikationsmöjligheter varit väldigt specifikt beskrivna för specifika applikationsområden i de studerade artiklarna. Detta resulterade i att litteraturstudien behövde kompletteras av flera olika artiklar av samma område för att få ett helhetsperspektiv på en generell nivå.
Litterastudiens primära söktermer presenteras nedan:
Solar thermal cooling technologies, Absorption AND solar cooling, Adsorption cooling system, Solar cooling AND refrigerant pairs, Successful “solar cooling” designs, Heat rejection AND solar cooling, Solar cooling AND concentrating solar collector.
2.3 Dataanalys
För att besvara den första frågeställningen har information beträffande påverkande faktorer samlats in och identifierats genom litteraturstudier och empiri utifrån dialog med personer kunniga inom området. För att besvara den andra frågeställningen, nämligen hur ett solkylningssystem exempelvis kan utformas, har informationen erhållen genom att besvara frågeställning 1 använts till att identifiera lämpliga komponenter. Utöver detta har litteraturstudier även gjorts för att analysera tidigare lyckade utformade solkylningssystem för att erhålla en kunskap i hur ett sådant system kan kombineras. Den tredje frågeställningen har besvarats genom simuleringar från programmet PISTACHE, där resultaten av simuleringarna har analyserats för att kunna presentera den erhållna prestandan av ett solkylningssystem. Simuleringsverktyget möjliggör också andra fördelar så som smidiga test och kombinationer av komponenter på ett tidseffektivt sätt samt analysering av respektive komponents inverkan på systemets prestanda. Detta förenklade både besvarandet av den tredje frågeställningen men också den andra i och med att olika utformningsförslag kunde analyseras genom simuleringsverktyget.
2.4 Validitet och reliabilitet
Rapporten erhåller en god validitet i och med att senare delar av rapporten återkopplar till studiens problembeskrivning, syfte och frågeställningar. Teorikapitlet är huvudsakligen utformat för att beskriva och möjliggöra en kunskapsgrund för att besvara frågeställning 1, då detta är en rent teoretiskt lagd frågeställning. Då frågeställning 2 till stor del beror på frågeställning 1, kan validiteten för denna frågeställning också anses vara god.
6
En eventuell felkälla avseende validiteten är att endast lyckade kommersiella implementeringar av solkylningssystem har studerats för att kunna besvara dessa frågeställningar. Då denna litteraturstudie inte har inkluderat mer experimentella solkylningssystem med extrema egenskaper, finns en risk att validiteten hämmas då kunskap eventuellt utelämnats. Vidare har endast simuleringar som varit värdeadderande för studiens syfte och frågeställningar utförts. I simuleringsverktyget PISTACHE finns det ett flertal olika simuleringsvarianter som kan utföras, men där bara vissa av dessa skulle kunna användas för att besvara frågeställning 3. Detta tillvägagångssätt har därför följts vid simuleringar för att erhålla en god validitet.
För att erhålla en god reliabilitet i detta arbete har metoderna för att besvara de respektive frågeställningarna sett till att vara reproducerbara och repeterbara. Vid besvarande av den första frågeställningen har en hög reliabilitet erhållits genom att undersöka flera olika källor som belyser de olika påverkande faktorerna. Källorna som har studerats har i allmänhet visat på liknande fakta, så genom att följa den källhänvisning som har gjorts i rapporten bör reproducerbarheten vara tillräckligt hög för att en utomstående person skulle kunna erhålla samma kunskap om ämnet.
Vidare innehåller rapporten och arbetet ett moment där en del kreativitet har använts för att utforma de tre olika systemen. Detta kreativitetsmoment leder till att de system som har utformats för att besvara frågeställning 2 samt för att vidare simuleras, inte garanterat skulle ha varit identiskt med de system som en annan individ hade skapat med samma förkunskap om studien hade upprepats.
Slutligen kan reliabiliteten för rapportens tredje frågeställning anses vara god. Detta eftersom nödvändig information som krävs för att simulera de utformade systemen i denna studie har redogjorts för i tabellform, både avseende komponentval och tekniska specifikationer. Även väderfilerna som använts vid simuleringarna bör kunna replikeras i och med tillgången på den väderdatabas som använts vid denna studie. Väderfilen kommer sannolikt inte erhålla en exakt likvärdig dygnsprofil om den skapas av en annan individ, dock kommer viktiga egenskaper såsom den totala års-profilen bli detsamma, vilket därför resulterar i samma årliga prestanda som erhållits vid denna studie. Om en annan individ därmed hade brukat de presenterade värdena i PISTACHE, hade denna individ garanterat fått samma resultat och erhållit samma prestanda som gjorts för denna studie, vilket tyder på en god reliabiliteten för frågeställning 3.
2.5 Etiska ställningstagande
Då studien inte har inkluderat intervjuer som datainsamlingsmetod har inte något informationskrav, samtyckeskrav, konfidentialitetskrav och nyttjandekrav varit aktuella att behandla. Inget av det arbete som har genomförts i form av datainsamlingsmetoder har därmed varit av tvivelaktig etisk karaktär. I och med att studien har utförts i samarbete med ett företag som tillverkar en viktig ingående komponent i solkylningssystem, i form av solfångare, har det varit etiskt fördelaktigt att utesluta jämförelser med andra tillverkare och modeller av solfångare vid utformningen av solkylningssystem för att säkerställa en upprätthållen objektivitet.
7
3 Teori
I detta teoriavsnitt presenteras nödvändig och ingående information beträffande de teknologier och system som diskuteras i rapporten. Detta avsnitt kommer med andra ord belysa det valda simuleringsverktyget, hur ett solkylningssystem fungerar, vilka dess ingående komponenter är och vilka faktorer som påverkar utformningen av systemet. Syftet med denna teori är att ge läsaren en förståelse i problematiseringen kring de olika frågeställningarna så att en utförlig diskussion vidare kan utföras i rapporten.
3.1 Beskrivning av solkylningssystem
Solkylningssystem är en teknik som konverterar värme ansamlad från solen till användbar kyla som kan gå till kyl-och luftkonditioneringsändamål. Termisk solenergi samlas och transporteras sedan till en termiskt driven kylningsprocess som vanligen används för att generera kylt vatten eller nedkyld luft till en anläggning (Maidment och Paurine, 2012).
Termiskt driven kylning kan vara en mer hållbar lösning som är mindre energikrävande än konventionella kylmetoder. För de allra flesta tillämpningsområdena finns ett starkt samband mellan maximal solbestrålning och maximalt kylbehov, vilket kan utnyttjas för att minska användningen av elektricitet. Genom att använda termisk solenergi för att driva en kylcykel är det därför möjligt att producera kyla i enhetlighet med kylbehovet. Vidare har tekniken potential att verka inom offentliga, kommersiella och industriella anläggningar (Maidment ochPaurine, 2012).
Vidare visualiserar Figur 1 översiktligt hur ett sådant solkylningssystem, och dess medföljande väsentliga komponenter, kan struktureras. Till dessa komponenter räknas bland annat solfångaren, där solfångaren i denna undersökning väljs till en specifik modell och medföljande specifik verkningsgrad samt kostnad. En ytterligare komponent som erhåller stort inflytande på systemets prestanda är valet av kylteknik för värmepumpen, där respektive vald kylteknik innehaver en särskild verkningsgrad, kapacitet och kostnad och som därför vidare innebär att valet av kylteknik högst sannolikt kommer variera mellan de framtagna systemkoncepten. De olika kylteknikerna beskrivs mer ingående i kommande avsnitt av rapporten. Vidare består systemet även av ett assisterande termiskt system med egen specifik verkningsgrad och kapacitet. Detta termiska system kommer agera som en alternativ värmekälla om solfångaren inte skulle producera tillräckligt med värme. Slutligen är även buffertar, i form av en kallvattentank och ackumulatortank, vanligt för att förvara det kalla respektive varma vattnet utefter kylbehovets variation. Även dessa typer av vattentankar erhåller en specifik kapacitet och kostnad. Slutligen är även kyltorn vanliga att inkorporera i anslutning till värmepumpen för att avge värme från systemet (Alghool et al., 2020).
8
Figur 1 – Solkylningssystemets generella struktur.
Figur 1 illustrerar även energiflödet i systemet, det vill säga flödet av det varma och kalla vattnet.
Energiflödets riktning visualiseras med pilarna i figuren. Energiflödet introduceras i och med att solfångarna absorberar den termiska energin från solens strålning så att vattnet som flödar genom solfångaren vidare värms upp. Om vattnet erhåller en tillräckligt hög temperatur, transporteras detta till värmepumpen för att sedan producera det nedkylda vattnet. Om temperaturen på vattnet inte är tillräckligt högt, efter att ha passerat solfångaren, transporteras detta istället till den assisterande värmepannan där vattnet värms upp till den rätta temperaturen för att sedan transporteras till värmepumpen. Det assisterande termiska systemet kan även användas vid tillfällen då solfångarna inte är tillgängliga för värmeproduktion, exempelvis vid molniga perioder. Under soliga perioder då den termiska energin i solfångaren finns i överflöd, och då värmepumpen inte behöver arbeta lika intensivt, kan istället det uppvärmda vattnet lagras i en ackumulatortank för senare tillfällen då solens strålningsenergi är mer begränsad. På liknande sätt fungerar kallvattentanken vid tillfällen då kallvattenproduktionen är större än det givna kylbehovet. Om kylbehovet då plötsligt skulle öka, agerar kallvattentanken som en säkerhetsbuffert. Av denna anledning är dessa typer av lager inte obligatoriskt för systemets funktion, men det bidrar till en hållbar och långsiktig användning av det. Vidare kan det vara av värde att tillägga att även om systemet i figur 1 ser simpelt ut, finns de flera kritiska aspekter att tillgodose vid val av komponenter, exempelvis huruvida stort kylbehovet är och i vilket lokalt klimat som systemet skall implementeras inom (Alghool et al., 2020).
9
3.2 Systemets beståndsdelar
I kommande avsnitt presenteras ett generellt solkylningssystems olika större beståndsdelar samt komponenternas respektive egenskaper. Fem huvudsakliga beståndsdelar beskrivs för att ge läsaren en insikt om komponenternas syfte samt hur de samverkar med varandra. Dessa beståndsdelar är följande: Solfångare, värmepump, kyltorn, energibevarande tankar och assisterande termiska system. Den insamlade informationen ligger till grund för urval, och till viss del utvärdering, av de koncept som undersökts.
3.2.1 Solfångare
En solfångare är en anordning som absorberar den inkommande strålningen från solen, transformerar den till användbar termisk energi och slutligen transporterar energin till en vätska som cirkulerar i systemet och genom solfångaren. Den insamlade termiska energin kan antingen skickas direkt till en termiskt driven applikation, till exempel uppvärmning eller kylning, eller så kan den termiska energin skickas till en ackumulatortank för att brukas vid ett senare tillfälle.
Beroende på användningsområde kan den insamlade värmen levereras med olika temperatur från 30 °C till 1000 °C. Generellt sett kan solfångare delas in i två större grupper; koncentrerande och icke-koncentrerande. För icke-koncentrerande solfångare är arean som träffas av solens strålning ungefär lika stor som den absorberande arean, hela solpanelen absorberar alltså i stort sett solljuset för denna typ av solfångare. Icke-koncentrerande solfångare är även lätta att installera, kräver inte mekaniska solföljningssystem och är nominellt kostnadseffektiva. Med dessa solfångares enkelhet medföljer dock begräsningar av möjligheten att kunna använda de i applikationer som kräver höga driftstemperaturer (Shirazi et al., 2018).
Koncentrerande solfångare är konstruerade med reflekterande ytor för att fokusera solljuset från en stor yta (aperturyta) till en betydligt mindre yta (mottagaryta) vilken vanligtvis är det så kallade absorbatorröret vilket förtydligas i Figur 2 nedan. Förhållandet mellan aperturarea och mottagararea kallas för den geometriska koncentrationsration (CR) hos solfångaren. Ju större skillnaden är mellan dessa areor, desto högre temperaturer kan solfångaren generera utan allt för stora värmeförluster. De koncentrerande solfångarnas potential att användas till olika slags applikationer begränsas dock till viss del av bland annat kostnaden för optiska förluster och komplexa solföljningssystem. Som för alla komponenter i ett system krävs en avvägning mellan kostnad och prestanda, korrekt dimensionering av solfångare är alltså essentiellt för att lyckas tillgodose kylbehoven så kostnadseffektivt som möjligt.
10
Figur 2 – Paraboliskt tråg med markerad mottagaryta och aperturyta.
Ett paraboliskt tråg fungerar enligt samma princip som alla koncentrerande solfångare och är uppbyggt av ett absorbatorrör som är positionerat längs fokallinjen av en paraboliskt formad reflektor (Suman et al., 2015). Röret är fixerat i konstruktionen och används för att transportera solens termiska energi till cirkulationsvätskan som passerar genom röret. För att säkerställa att det inkommande solljuset träffar röret behöver solfångaren vara utrustad med ett solföljningssystem.
Till skillnad från andra koncentrerande solfångare kan paraboliska tråg enbart använda ytan på absorbatorröret för att utnyttja solens av termiska energi och kan behöva placeras längre ifrån varandra för att undvika att delar av solfångare hamnar i skugga. De paraboliska trågens låga värmeförluster och relativt höga koncentrationsratio kompenserar dock för detta till viss del (Shirazi et al., 2018).
Solfångarens betydelse för systemets prestanda och kostnad är givetvis stor eftersom den avgör hur hög temperaturnivån kan bli samtidigt som det är en av de större komponenterna. Den här rapporten beträffar och undersöker huvudsakligen andra inverkande faktorer och komponenter vid utformningen av ett solkylningssystem än själva solfångaren.
Absolicon T160
Absolicon Solar Collector AB är ett svenskt företag som bygger på över 20 års forskning inom solenergi och de erbjuder kompletta produktionslinor för koncentrerande solfångare. Företaget är kanske mest känt för sin solfångare T160 som har den högsta uppmätta optiska verkningsgraden någonsin för ett litet paraboliskt tråg i kommersiell produktion – 76,6% (η0). Proportionen av diffust ljust som konverteras till värme är uppmätt till 8,586% (Kd). Värmeförlustskoefficienten (a1) har ett värde på 0,3677 och värmeförlustskoefficienten i kvadrat (a2) har värdet 0,003224 (Absolicon, 2018). Observera att a1 i kvadrat inte är lika med a2. Dessa parametrar är uppmätta under särskilda förhållanden och varierar beroende på bland annat väder och driftstemperatur.
Detta är den solfångare som använts vid simuleringar av solkylningssystemets prestanda. Under arbetet har enbart denna solfångare tagits i beaktning och diskussioner kring solfångare bygger på denna modell. Exakt hur mycket energi som kan utvinnas från solfångaren under ett års tid behöver simuleras för att kunna bestämmas exakt eftersom olika geografiska platser och arbetstemperaturer kommer påverka resultatet (Absolicon, 2020).
11
3.2.2 Kylteknik
Värmepumpen är nästa stora komponent i systemet. Det är denna komponent och dess tillhörande kylteknik som bestämmer arbetsprincip, termodynamiska egenskaper och effektivitet i hur värmen från solfångarna omvandlas till kyla. Med andra ord är valet av kylteknik därför mycket avgörande vid en implementering av systemet. De vanligaste termiskt drivna kylteknikerna som finns på marknaden i nuläget är absorptions- och adsorptionsvärmepumpar, där namnet för respektive pump baseras på den arbetsprincip som används. Det finns andra kyltekniker som erhåller en högre verkningsgrad så som eldriven kompressorkyla, men då dessa kyltekniker tenderar att vara ekologiskt ohållbara kommer denna projektering och undersökning fokusera absorption och adsorption (Shirazi et al., 2018). Vad som kommer diskuteras i detta avsnitt är hur dessa tekniker fungerar och vilka för- och nackdelar respektive teknik medför.
Absorption
Absorptionsvärmepumpar som använder denna typ av kylteknik, kan både användas till processkyla samt komfortkyla för större byggnader (Dennis Eliasson, 2017). Kylteknikens principiella arbetsprocess liknar till stor del processen för ångkompression, bortsett från att absorptionsvärmepumpar huvudsakligen använder sig av termiskt värmedrivna system med minimal inblandning av elektriskt drivna mekaniska arbeten (Shirazi et al., 2018). En ytterligare skillnad innefattar även att absorptionskylning använder sig av en extra vätska i systemet, utöver det arbetande köldmediet, nämligen en vätskelösning som kallas “absorbent”. Denna absorbent används för att absorbera köldmediets förångning så att ett högre generellt tryck kan genereras genom enbart en vätskepump i systemet, istället för genom en ångkompressor, vilket på så sätt minimerar det totala krävda mekaniska arbetet i systemet (Shirazi et al., 2018).
Absorption - Arbetspar
De vanligaste förekommande köldmedierna för en absorptionskylcykel är ammoniak eller vatten och beroende på valet av köldmedium väljs absorbent därefter. Tillsammans brukar köldmediet och absorbenten refereras till som en kyltekniks “arbetspar”. När vatten är köldmediet används lithiumbromid som absorbent, vilket tillsammans betecknas LiBr-H2O, och när ammoniak är köldmediet används istället vatten som absorbent, det vill säga H2O-NH3 (Dennis Eliasson, 2017).
Givetvis existerar flera andra typer av fungerande vätskepar såsom NH3-LiNO3 och LiBr-HO, men oftast undviks dessa på grund av deras sämre prestanda (Shirazi et al., 2018).
LiBr-H2O brukar oftast användas till applikationer som luftkonditionering, medan H2O-NH3 är mer vanligt vid processkylning på grund av ammoniakens egenskap att kunna nå temperaturer under noll °C. Dock är vätskeparet H2O-NH3 sämre i avseendet att det krävs högre temperaturer för att separera blandningen i generatorn, samtidigt som COP (verkningsgraden) är betydligt sämre än den för LiBr-H2O. Utöver detta blir även systemet mer kostsamt och komplext när vätskeparet H2O-NH3 används då en deflegmator då behöver inkluderas för att assistera separeringen av vätskeparet i generatorn. Detta på grund av den lilla skillnaden mellan ammoniakens och vattnets respektive kokpunkter. Dock är inte systemet med vätskeparet LiBr-H2O perfekt heller, då lithiumbromidet i denna blandning har en förmåga att kristalliseras då koncentrationen av saltet i lösningen vid absorbatorn blir för hög eller om temperaturen på lösningen blir för låg. På grund av detta behöver därför ett kontrollsystem implementeras vid absorbatorn som övervakar dessa faktorer (Shirazi et al., 2018).
12 Absorption - Funktion
Även om de flesta metoder för att producera kyla bygger på liknande principer, så kan strukturen och dess ingående komponenter och tekniker variera kraftigt i en absorptionskylcykel och därefter influera systemets prestanda och kostnad. Ett grundläggande schematiskt koncept för hur en absorptionskylcykel fungerar, samt vilka de medföljande väsentliga komponenterna är, visualiseras nedan i figur 3. De vanligaste förekommande komponenter i denna typ av kylteknik kan summeras till; förångare, absorbator, generator, kondensor, värmeväxlare, lösningspump samt expansionsventiler (Shirazi et al., 2018).
Figur 3 – Schematisk illustration av en singeleffekt-absorptionskylcykel.
Vidare för att beskriva hur arbetsprincipen går till i systemet från figur 3, kan första steget beskrivas vid förångaren där värme introduceras till systemet (Qf) i och med den cirkulation av värme som uppstår vid ett kylbehov, exempelvis processkylning eller luftkonditionering av en byggnad.
Spillvärmen från det relevanta kylbehovet överförs till absorptionskylcykeln genom en vattenkrets, som tillsammans med det låga trycket i förångaren, får köldmediet att förångas. I och med att vattnets värme absorberas av köldmediet i förångaren, kyls vattenkretsen ned och cirkulerar sedan tillbaka till byggnaden. På detta sett produceras kyla i en absorptionskylcykel. Det förångade köldmediet förs sedan vidare till absorbatorn, där köldmediet absorberas av en koncentrerad vätske-absorbent som därmed tillsammans skapar en “svag lösning”. Till följd av denna reaktion i absorbatorn, avges värmen (Qa) från köldmediet, där denna värme vidare transporteras bort från systemet genom en kallvattenkrets via ett kyltorn.
13
Den svaga lösningen, det vill säga blandningen av köldmediet och absorbenten, transporteras fortsättningsvis genom mekaniskt arbete från en lösningspump till generatorn där den svaga lösningen separeras. Separationen sker då en extern värmekälla (Qg) hettar upp lösningen till den punkt då köldmediet åter igen förångas, medan absorbenten förblir i vätskeform. Denna värmekälla kan variera mellan olika absorptionscykler då den kan återfinnas i form av hetvatten, ånga eller andra heta gasformer. I och med att denna studie bygger på användandet av solfångare, kommer den tillförda värmen i generatorn bestå av antingen hett vatten eller ånga.
Den koncentrerade absorbenten, nu kallad den “rika lösningen”, fortsätter att transporteras från generatorn tillbaka till absorbatorn, där lösningen på vägen passerar en expansionsventil samt en värmeväxlare. Expansionsventilernas uppgift i kretsen är att kontrollera att rätt tryck och flöde erhålls. Vid värmeväxlaren absorberar den kalla svaga lösningen, på väg mot generatorn, värme ifrån den heta rika lösningen som precis har blivit uppvärmd i generatorn. På detta vis uppnås en högre verkningsgrad i att behålla värmen i systemet. Fortsättningsvis flödar det koncentrerade förångade köldmediet från generatorn till kondensorn där värme avges (Qk) till en cirkulerande kallvattenkrets. Utifrån det höga trycket i kondensorn, samtidigt som värmen avges, kondenserar köldmediet till vätskeform. Köldmediet passerar vidare genom en expansionsventil som minskar trycket och temperaturen på det, för att slutligen nå förångaren och därmed sluta absorptionskylcykeln (Eliasson, 2017; Shirazi et al., 2018).
Absorption – Antal effekter
Ytterligare en variabel som kan påverka absorptionskylcykelns uppbyggnad och funktion är antalet så kallade “effekter” i systemet, där antalet effekter refererar till antalet gånger värmen inom systemet cirkulerar i olika värmeväxlare för att slutligen producera kyla. I nuläget är de mest vanliga typerna; singeleffekt, dubbeleffekt och trippeleffekt, där ju fler effekter innebär högre COP (verkningsgrad) i systemet, men också en högre krävd driftstemperatur (Qg) till generatorn/generatorerna.
En singeleffekt-absorptionskylcykel är den cykel som har beskrivets ovan och kan ses i figur 3, där detta system optimalt arbetar kring temperaturerna 80-100°C och erhåller en termisk COP kring 0,7-0,8.
En dubbeleffekt-absorptionskylcykel arbetar kring temperaturer på 180 °C och kan istället erhålla en COP på runt 1,4. Den ökade verkningsgraden kan härledas av den ökade produktionen förångat köldmedium ifrån en lika stor given värmekälla som vid singeleffekt. Bortsett från att absorptionskylcykler med dubbeleffekt har två värmeväxlare, som kan ses i figur 4, så skiljer de sig även åt singeleffekt då de nyttjar tre olika trycknivåer, istället för två, i systemet; ett lågtryck i förångaren, ett mellantryck i lågtemperatursgeneratorn (LTG), och ett högtryck i högtemperatursgeneratorn (HTG). I detta system används även två olika kondensorer; en lågtemperaturskondensor (LTK) och en högtemperaturskondensor (HTK). Dubbeleffekt- absorptionskylcykler kan vidare struktureras på tre olika sätt beroende på tillverkarens preferenser, antingen genom parallell, serie eller reverserade serieflödescykler, där varianten med serieflöde illustreras enligt figur 4. Det som skiljer dessa flödescykler åt är huruvida lösningen flödar mellan absorbatorn och de olika generatorerna (Shirazi et al., 2018).
14
Figur 4 – Schematisk illustration av en dubbeleffekt-absorptionskylcykel med serieflöde.
Trippeleffekt-absorptionskylcykeln fortsätter på dubbeleffektkylarens koncept, där trippeleffektkylaren utnyttjar den givna värmekällan (Qg) ännu bättre genom att använda tre olika kondensorer och generatorer; en för låg, mellan respektive högvärme. Trippeleffekt- absorptionskylcykler kan vidare erhålla COP:s runt 1,8 men kräver samtidigt då en drifttemperatur på 210-240°C, vilket därför gör tekniken svår att kombinera med PTC-solfångare som huvudsaklig värmekälla till generatorn (Shirazi et al., 2018).
De huvudsakliga för- och nackdelar för en generell absorptionskylcykel presenteras sammanfattningsvis i tabell 1.
15
Tabell 1 - För- och nackdelar av en absorptionskylcykel (Shirazi et al., 2018; Ghafoor och Munir, 2015).
Adsorption
Adsorption är även en frekvent använd kylteknik som både kan ersätta och agera som ett komplement till absorptionskylningsmaskiner och andra konventionella kylmetoder. Kylteknikens inneboende egenskaper, så som dess generellt låga driftstemperaturer, gör adsorption till en teknik som passar för lågskaligt användande av mindre volymer kylbehov i förhållande till absorptionskylmaskiner (Ghafoor och Munir, 2015). Vad som skiljer adsorption och absorption åt är huvudsakligen att adsorbenten i adsorption återfinns i fast form, till skillnad från absorbenten i absorption som alltid är i flytande form (Ghafoor och Munir, 2015). Vidare är adsorbenten ett poröst salt som erhåller en god hygroskopisk förmåga, det vill säga en god förmåga att adsorbera fukt (Eliasson, 2017).
Adsorption - Arbetspar
Den största nackdelen med adsorption som kylteknik är dess generellt låga verkningsgrad (COP) i förhållande till andra existerande kyltekniker, exempelvis absorptionskyla (Ghafoor och Munir, 2015). Vidare korrelerar systemets verkningsgrad till stor del i hur effektivt det använda arbetarparet av adsorbent – adsorbat är. De vanligaste arbetsparen i adsorptionskylemaskiner har länge varit zeolitvatten, silica gel-vatten och olika varianter av kombinationer med aktivt kol (Mahesh, 2017). Mahesh (2017) utförde vidare en undersökning där uppmätta verkningsgrader analyserades för olika adsorptionsarbetspar. Det som observerades var att zeolitvatten hade en COP kring 0.1-1.6, silica gel hade 0.05-0.65 i COP och aktivt kolmetanol hade 0.05-0.95 i COP (Mahesh, 2017).
Även då en hög verkningsgrad är att föredra för ett arbetspar, kan andra egenskaper påverka beslutet i vilket som är att föredra beroende på tillämpningsområde för kyltekniken. Silica gel- vatten är exempelvis ett arbetspar som ofta används vid lägre driftstemperaturer vilket därför gör arbetsparet mer önskvärt vid komfortkyla, medan zeolitvatten lämpar sig bättre vid högre
16
drifttemperaturer och därför medför ett bredare användningsområde (Mahesh, 2017). Dock rekommenderar Mahesh (2017) till användning av aktivt kolmetanol för solkylning på grund av arbetsparets termodynamiska egenskaper, så som dess relativt höga verkningsgrad, lägre krävda arbetstryck (vilket förhindrar läckage) och icke-korrosiva natur för solfångarna. Nackdelen med aktivt kolmetanol är dock att arbetstemperaturen är begränsad till ca 150 °C, då metanol annars vid temperaturer högre än detta bryts ned till dimetyl (Mahesh, 2017). För att adsorption vidare ska kunna konkurrera med absorptionens höga verkningsgrader, sker konstant forskning för att förbättra och ta fram nya adsorptionsarbetspar. Studier har exempelvis gjorts för kombinationer med etanol som arbetspar, där bland annat PR KOH4 – Etanol var ett arbetspar som visade på en hög och jämn verkningsgrad kring 0.8-0.9 (Rupam et al., 2020).
Adsorption - Funktion
En simpel adsorptionskylcykel består av fyra huvudsakliga komponenter: en adsorbatorenhet som innehåller adsorbent, en kondensor, en förångare och en expansionsventil. Till skillnad från singeleffekt-absorptionsvärmepumpar, som brukar två olika arbetstemperaturer, agerar adsorptionsvärmepumpar på tre olika temperaturnivåer. Detta beror på hur adsorptions- och desorptionprocessen går till i värmepumpen. Det är även denna process som skapar flödet i systemet. Med andra ord agerar detta adsorptionsfenomen som en pump i systemet och därför krävs ingen ytterligare mekanisk inverkan i form av en flödespump som vid absorption (Demir, Mobedi och Ülkü, 2008).
Flödet för en grundläggande adsorptionskylcykel ses i figur 5 och kan beskrivas med fyra steg:
isobarisk adsorption (1), isosterisk uppvärmning (2), isobarisk desorption (3) och isosterisk kylning (4) (Demir, Mobedi och Ülkü, 2008).
1: Isobarisk adsorption är den process då man öppnar ventilen mellan förångaren och adsorbatorenheten så att det torra saltet (adsorbenten) i adsorbatorenheten börjar adsorbera vätskan (adsorbaten) från förångaren tills att adsorbenten är mättad. I och med denna process kommer förångaren att kylas vilket därmed kyler den externa köldbäraren. På detta sätt produceras kyla till ett visst ändamål.
2: Nästa steg är isosterisk uppvärmning, vilket är den process då adsorbenten i adsorbatorenheten börjar värmas upp, samtidigt som ventilerna mellan adsorbatorenheten, kondensorn och förångaren är stängda. Värmen till adsorbatorenheten genereras huvudsakligen från solfångare i detta fall, men kan även nyttja spillvärme från byggnader.
3: Efter den isosteriska uppvärmningen, startar den isobariska desorptionen, det vill säga den process då den mättade adsorbenten i adsorbatorenheten frigör adsorbaten från sin yta. Vid denna process fortsätter alltså adsorbatorenheten att värmas upp samtidigt som ventilen till kondensorn slutligen öppnas. På detta sätt förångas adsorbaten och leds till kondensorn där den sedan kondenserar genom att värme avges till ett externt kyltorn. Därefter transporteras den kondenserade adsorbaten genom en expansionsventil för att slutligen nå förångaren igen.
4: Det nästa och sista steget är isosterisk kylning, där ventilen nu stängs till kondensorn och då adsorbatorenheten nu börjar kylas av omgivningen samt av ett lägre tryck. När adsorbenten i adsorbatorenheten sedan är tillräckligt kyld möjliggör detta adsorbenten till att åter igen adsorbera den fuktiga adsorbaten från förångaren genom isobarisk adsorption. På detta sett är adsorptionskylcykeln sluten och upprepningsbar (Demir, Mobedi och Ülkü, 2008).
17
Figur 5 - Schematisk illustration för en grundläggande adsorptionskylcykel.
Nackdelen med flödesschemat för adsorptionskylcykeln i figur 5 är att den endast inkluderar en adsorbatorenhet, vilket därmed gör att kyla inte kan genereras kontinuerligt, utan enbart vid processen “isobarisk adsorption”. En lösning till detta är att inkludera flera adsorbatorenheter i systemet där vardera adsorbatorenhet befinner sig i olika processteg, exempelvis fallet för två adsorbatorenheter då ena enheten adsorberar fukt från förångaren medan fukten desorberas (motsatsen till adsorberas) i den andra enheten till kondensorn och sedan växlas detta. På detta sätt kan systemet växelverka och producera kyla mer konstant (Eliasson, 2017).
Vad beträffar för- och nackdelar av en typisk adsorptionskylcykel kan dessa sammanfattas till följande i tabell 2.
Tabell 2 För- och nackdelar av en adsorptionskylcykel (Demir, Mobedi och Ülkü, 2008; Ghafoor och Munir, 2015).
