Nie všetkým je známe, že chlad je v skutočnosti drahá a energeticky náročná komodita. Výroba chladu, jeho výrobná náročnosť a cena vysoko prevyšujú výrobnú náročnosť a cenu tepla. Menej známe riešenia a rozumné znalosti môžu eliminovať vysokú cenu chladu. Chlad dominantne spotrebúvajú súčasné klimatizačné systémy a najrôznejšie priemyselné chladenia, potravinárstvom počnúc a chémiou a strojárstvom končiac. Náročnosť klimatizačného chladenia dobre ilustrujú inštalované chladiace výkony – napríklad vo väčších nákupných centrách alebo veľkých administratívnych budovách. Tieto bežne presahujú 1 MWchlad. Aj pri výrobe chladu platí, že najlacnejší býva chlad, ktorý vôbec netreba vyrobiť – napríklad aplikáciou vhodnej stavebnej fyziky alebo pasívnymi opatreniami.
Referencie – Schaeffler Skalica, Volkswagen Slovensko, Sitel Bratislava
Systémy na výrobu chladu
Chlad sa vo všeobecnosti vyrába viacerými technologickými spôsobmi. Parné kompresorové systémy sú dominantnou a overenou technológiou chladenia. Pohonnou energiou kompresorových systémov je elektrická energia, nakoľko kompresory sú poháňané elektromotoricky. Okrem tohto tradičného systému existuje aj rad iných chladiarenských (klimatizačných) technológií, ktorých pohonnou energiou je paradoxne – teplo.
Teplom poháňané chladiace systémy
Teplom poháňané chladiace systémy môžu byť ekonomicky a ekologicky výhodné v situácii, kedy je k dispozícii solárne, geotermálne alebo priemyselné odpadné teplo. Ich použitie dramaticky zníži prevádzkové náklady a uhlíkovú stopu. Výsledkom je veľká efektívnosť, nízke emisie, zníženie nákladov a šetrenie zdrojov.
Medzi overené a priemyselne vyrábané technológie teplom poháňaných chladiacich systémov patria:
- Absorpčné chladiace systémy
- Ejektorové chladiace systémy
- Adsorpčné chladiace systémy
Absorpčné chladiace systémy
Najpoužívanejšie chladiace systémy zo skupiny teplom poháňaných chladiacich strojov sú absorpčné systémy. Na výrobu chladu využívajú tepelnú energiu. Výroba chladu absorpčnými jednotkami spravidla využíva ako zdroj energie priemyselné odpadové teplo, ale možná je aj kombinácia so solárnym teplom. Zdroj tohto tepla je spravidla z výrobných procesov a tak sa voči konvenčnej výrobe chladu zásadne znižuje spotreba elektrickej energie. Teplonosné médium môže byť horúca voda, para, spaliny, výfukové plyny (t.j. nevyužité odpadové energie) alebo priamy ohrev (zemný plyn, vykurovací olej, kerosín…).
Ejektorové chladiace systémy
Ejektorové chladiace systémy sú jednoduché, spoľahlivé a lacné zariadenia, bez pomerne drahých mechanických častí ako sú kompresory. Toto chladenie je výborná alternatíva pre výrobu klimatizačného chladu všade tam, kde je relatívne dostatok miesta a tepla (stačí teplo o nízkej teplote – od 70°C), čo je napríklad väčšina striech. Ejektory sú známe viac ako poldruha storočia. Pred nástupom kompresorového chladenia sa hojne využívali v chladiacej technike i v parných strojoch, ako čerpadlá. Majú nižší chladiaci faktor (účinnosť) ako absorpčné chladiace systémy, ale sú jednoduchšie a spoľahlivejšie. Oproti kompresorovým systémom majú výhodu v tom, že ich hlavná pohonná energia je teplo, nie elektrická energia.
Ejektorové stroje nie sú v bežnej ponuke dodávateľov chladiarenských zariadení. Dodávatelia ich navrhujú pre konkrétne podmienky užívateľa. Jediný náročný komponent ejektorových systémov je dýza ejektora. Ostatné komponenty sú bežne dostupné. Stavba takéhoto stroja je v princípe lacnejšia ako pri klasických kompresorových systémoch alebo pri systémoch absorpčných.
Adsorpčné chladiace systémy
Adsorpčné systémy pracujú obdobne ako systémy absorpčné s tým, že ako adsorbent sa používa tuhá látka s vysokou adsorpčnou schopnosťou – zeolit alebo silakagel a chladivom je voda. Tento systém je jednoduchý. Ku chladiacemu efektu dochádza prudkým pohlcovaním pár chladiva (vody), pričom tento jav trvá vždy len do nasýtenia adsorbentu. Po nasýtení adsorbentu musí nasledovať jeho regenerácia ohrevom (prerušenie chladenia). Z dôvodu, že adsorpčné systémy pracujú diskontinuálne, pri potrebe trvalého chladiaceho výkonu sú potrebné dva paralelné agregáty. Výhodou je možnosť spustiť chladiaci efekt kedykoľvek a kdekoľvek aj bez pripojenia na akýkoľvek druh energie. To predurčuje tieto zariadenia na využitie v špecifických aplikáciách, kde je potrebné chladenie mimo dosahu elektrickej energie. Príkladom použitia sú špeciálne samochladiace pivné sudy alebo chladničky na plachetniciach. Účinnosť týchto systémov je nižšia.
Požiadavky na výšku teploty
Teplo potrebné na pohon vyššie uvedených chladiacich zariadení musí vo všeobecnosti dosahovať nad 70°C, z hľadiska optimálnej účinnosti je však vhodnejší interval 90°C až 110°C.
Výroba chladu z odpadného tepla
Zdrojom energie pre výrobu chladu môže byť priemyselné odpadné teplo, ktoré vzniká pri výrobe. Ako odpadné teplo môžu byť využité napríklad horúce spaliny z predchádzajúcich spaľovacích procesov (spaliny z komínov, kaliarne, vysoké pece, lakovne, vysokoteplotné kotle apod.).
Každý návrh ICE-TEX pre výrobu chladu z odpadného alebo solárneho tepla je individuálny a zohľadňuje technické možnosti a ciele zadávateľa. Ak pohonné teplo pre chladiaci stroj získame zo spalín komína, pôjde o podstatne lacnejší spôsob s celoročne rovnomerným výkonom výroby chladu – v porovnaní napríklad so solárnymi kolektormi. Využitie odpadného tepla pre výrobu chladu výrazne zlepší ekonomiku riešenia. Hrubá návratnosť sa veľmi pravdepodobne priblíži k dvom-trom rokom.
Výroba chladu zo solárneho tepla
Rozsiahlejšie, netienené plochy s priamym slnečným žiarením majú vysoký potenciál ako zdroj energie pre výrobu chladu. Solárna energia slúži ako pohon chladiacich zariadení. Priemerné množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia na 1m2 za deň sa na Slovensku pohybuje v priemere medzi 3,278-3,752 kWh. Rozdiel medzi najchladnejšími a najteplejšími regiónmi v dopadajúcom množstve energie je len približne 15%.
Tepelné solárne kolektory (zberače)
Termosolárne kolektory – zberače tepla sa používajú pre pohon chladiacich zariadení teplom najčastejšie. Stredne a vysoko teplotné kolektory sú vhodné zberače tepla pre pohon chladiacich zariadení. Môže ísť o klasické ploché t.j. rúrové alebo vákuové či reflexné t.j. koncentrické typy.
Účinnosti kolektorov pri vyšších teplotách sú vzhľadom na tepelné straty o niečo nižšie ako sú hodnoty uvádzané v ich technickej dokumentácii. Ploché kolektory vykazujú za týchto okolností priemernú ročnú účinnosť okolo 50%. U koncentrických tepelných kolektorov sa vo všeobecnosti predpokladajú stredné účinnosti okolo 60-65%.
Fotovoltické panely pre výrobu tepla (aj elektrickej energie) sú taktiež alternatívou. Pre porovnanie, účinnosť fotovoltických kolektorov je len medzi 10-15%, sú však inštalačne jednoduché.
Fotovoltické panely (PV) a klasické chladiace systémy
Fotovoltické panely a z nich produkovaná elektrická energia môžu priamo poháňať klasické, kompresorové chladiace zariadenia. Vzhľadom na to, že PV panely vyrábajú jednosmerný prúd, a navyše o veľmi kolísavom výkone, v takomto zapojení je nutné batériové pole a invertor jednosmerného prúdu na striedavý. Výhodou PV panelov je ich použitie nie len pre výrobu tepla ale aj elektrickej energie.