FAKULTY

– 20.01.2021 – 10.5 minúty čítania

Klimatizácia šetrná k životnému prostrediu? Čoskoro bude realitou

O zelenej energii a ekologickej udržateľnosti sa v ostatných rokoch hovorí často a veľa; dá sa povedať, že všetky technologické novinky už idú týmto smerom. Jednou z nich je aj ekologická klimatizácia, ktorú na našej Strojníckej fakulte vyvíja vedecký tím pod dohľadom docenta Michala Masaryka z Ústavu energetických strojov a zariadení. Prinášame reportáž z laboratória, kde sa na nej pracuje.

 

Dá sa povedať, že náklady na chladenie budov sú už takým istým problémom, ako náklady na ich vykurovanie, ba dokonca aj vyššie; v tejto súvislosti je už dlhodobo zaujímavou otázka, či sa dá elektrická energia, ktorá je k tomu potrebná, nahradiť ekologickým variantom.  Akokoľvek môže znieť chlad vyrobený z tepla zvláštne, v našich laboratóriách sa stáva realitou. „Konkrétne tu ide o projekt klimatizácie, ktorá je poháňaná teplom,“ vysvetľuje docent Masaryk, vedúci Oddelenia chladiacej a klimatizačnej techniky.

Prichádzame do Pavilóna laboratórií, kde si môžeme solárny ejektorový chladiaci stroj pozrieť. Na úvod sa pýtam, ako myšlienka ekologickej klimatizácie vôbec vznikla. A, pochopiteľne, ako funguje klasika. „V rámci chladiacej a klimatizačnej techniky je klasikou kompresor, ktorý pre fungovanie potrebuje elektrickú energiu. Chladiaca technika však paradoxne pozná aj celý rad konštrukcií, ktoré sú poháňané nie elektrinou, ale teplom,“ vysvetľuje docent. Výsledkom ich vlastného výskumu je stroj, ktorý má vyrábať chlad, pričom jeho hnacím prostriedkom je teplo; pozostáva z ejektorového chladiaceho zariadenia  a z reflexných solárnych kolektorov.

Spotrebujú takmer polovicu primárnej energie

Celkovo možno klimatizáciu označiť, ak hovoríme o energetike budov, za najväčšieho žrúta; budovy sú vo všeobecnosti zodpovedné za 40-45 percent spotreby primárnej energie. „Ak hovoríme o globálnom otepľovaní, skleníkovom efekte a emisiách, najväčšiu zodpovednosť nesú práve budovy,“ hovorí docent ďalej s tým, že napríklad doprava je zodpovedná len za 20 percent. A hlavným problémom dávno nie je vykurovanie, aj keď v minulosti to tak bolo. V súčasnosti najviac energie spotrebuje práve klimatizácia; 20-30 rokov zatepľujeme, ale problémom je prehrievanie budov v lete. Najmä tých veľkých, ako sú administratívy či výrobné haly.

Solárna klimatizácia ako alternatíva je preto prirodzeným vyústením súčasného stavu v tejto oblasti. „Toto riešenie je vhodné najmä pre veľké budovy s rovnou strechou, napríklad pre vyššie spomínané výrobné haly, školy či obchodné centrá,“ vysvetľuje docent s tým, že rátajú s termosolárnymi kolektormi, ktoré zbierajú slnečné teplo . Nejde teda o známejšiu fotovoltiku, ktorá premieňa svetlo na elektrickú energiu.

Ejektorový chladiaci systém, ktorý bude vyrábať chlad z tepla.

Poslúži aj „odpadové“ teplo

Výsledkom bude, že sa zmierni tepelná záťaž budovy; prechádzame k spôsobu, akým sa v stroji mení teplo na chlad. „Klimatizácia je vlastne úprava teploty vzduchu; sú aj také, ktoré upravujú vlhkosť, ale to sa bežných budov netýka,“ hovorí docent. Pýtam sa teda, či teplo, ktoré budú pre svoj chladiaci stroj potrebovať, musí byť solárne. „Samozrejme, nemusí. Pokojne môže ísť takpovediac o odpadné teplá, ale to solárne je najpraktickejšie, pretože je zadarmo.“ 

Zaujíma ma, či by teoreticky nenastal problém pri zlom počasí. „Chápem, ako to myslíte. Avšak tu si treba uvedomiť, že klímu potrebujeme vtedy, keď slnko praží. A vtedy to teplo  máme, výkonu je teda dosť. Pri prechodnom období klimatizovať nepotrebujete,“ vysvetľuje ďalej s tým, že k dispozícii sú tri dôležité komponenty: okrem samotného chladiaceho stroja a solárnych kolektorov je tu ešte aj tepelný akumulátor, ktorý zhromažďuje slnečné teplo. „Takže systém môže chladiť dajme tomu aj večer po západe slnka  – ak sú budovy ešte rozohriate.“

S vývojom museli začať od piky

Tento druh chladiacich strojov nie je nový, chladiaca technika ako odbor ho už istú dobu pozná; boli využívané napríklad v ére parných strojov, keď bolo veľa odpadového tepla. Inovácia tohto prototypu spočíva aj  v myšlienke solárneho pohonu, ktorý si na ejektorový chladiaci stroj predsavzal aplikovať náš tím. Bolo by však omylom myslieť si, že im predchádzajúce modely nejako pomohli. „Princíp ejektorového chladenia je síce známy, ale to je tak všetko. Vývoj sme museli začať robiť úplne od nuly. Ejektor je zariadenie, ktoré obsahuje dýzu, cez ktorú keď prúdi nejaké médium – či už para, alebo kvapalina –  tak dochádza k jeho zrýchleniu a tvorbe podtlaku. V chladiacom stroji musíte mať dve tlakové úrovne, aby raz chladivo kondenzovalo a raz sa vyparovalo,“ vysvetľuje docent, zatiaľ čo si prezeráme prototyp.

Najväčším žrútom energie je kompresor, ktorý musí obsahovať každý chladiaci stroj, či už ide o chladničku alebo klímu v aute; v tomto našom prípade je nahradený dýzou, ktorá dokáže urobiť taký istý tlakový rozdiel, keďže sa v nej na princípe Venturiho efektu vytvára podtlak. Komponenty, z ktorých pozostáva ejektorový chladiaci stroj, sú tieto:  výmenníky tepla, obehové čerpadlo, škrtiaci ventil a nadzvukový ejektor. 

Dýza, v ktorej sa Venturiho efektom vytvára podtlak.

Pýtam sa, či by takto eventuálne mohla fungovať celá budova, alebo by bolo dobré mať nejakú klimatizačnú zálohu. „Vždy je dobré ju mať. Ale v tomto prípade nemusí byť extra výkonná. Stačí len niečo pomocné, pre istotu,“ hovorí docent s tým, že ich prototyp by síce mohol fungovať aj bez kombinácie s klasickou klimatizáciou, ale developer, prípadne majiteľ nejakej veľkej budovy, bude na poistke určite trvať.

Tu ešte treba poznamenať, že pri chladení veľkých budov rozhodne nejde o malú energetickú náročnosť; ak si vezmeme napríklad klimatizáciu v jednom známom obchodnom centre, chladiaci výkon je podľa docenta Masaryka 1,2 megawattu, čo je obrovské číslo. 

Výroba by nemala byť príliš zložitá

Prechádzame k budúcnosti výroby prototypu; mala by byť paradoxne jednoduchšia, ako pri technológii používanej v súčasnosti. „Literatúra dokonca uvádza, že ceny ejektorových chladiacich strojov sú v porovnaní s kompresorovými o polovicu lacnejšie. Aj keď treba povedať, že nám tu pribúda ďalšia položka. Kolektory.“

Zaujíma ma, koľko vývoja daný prototyp ešte čaká; docent však vraví, že už ide viac-menej iba o to dať ho do priemyselnej podoby. „Výmenníky majú byť normálne kovové. Tieto sú síce zo skla, ale iba kvôli tomu, aby sme videli dovnútra,“ hovorí docent s tým, že počas vývoja potrebovali vidieť, ako sa vnútro „správa“, a tiež potrebovali miesto na montážnu prácu. Zo skla však, prirodzene, nemôžu zostať, boli by nepoužiteľné.

Produktom prototypu je chlad vo forme studenej  klimatizačnej vody; v podstate každá klimatizácia vo veľkých budovách produkuje studenú vodu o teplote asi 7 stupňov, ktorou  sa rozvádza po budove chlad. Ide o najekologickejšiu alternatívu; stojí za zmienku, že „freóny“, teda halogénované uhľovodíky, ktoré sa kedysi používali ako  chladivo do chladiacich strojov a klimatizácií, likvidovali ozónovú vrstvu a aj tie dnešné stále prispievajú k skleníkovému efektu.

Pýtam sa, či je v reálnom dohľade komerčná výroba. „Teraz sme v takej fáze, že pracujeme na dôkladnom otestovaní a overení stroja a jeho funkcie. A potom musíme skonštruovať ďalšiu verziu, ktorá už bude vhodná na použitie. Toto ešte nemôže byť na streche,“ hovorí docent s tým, že prototyp bude zrejme o niečo väčší, ako býva štandardný chladiaci stroj.

Z francúzskych peňazí

Záujem zo strany priemyslu je predpokladateľný, nakoľko ekologický aspekt je nielen populárny, ale je už v princípe nevyhnutnosťou. „Na tento výskum sme dostali grant z neobvyklého zdroja. Uchádzali sme sa o prostriedky v centrále francúzskeho energetického koncernu v Paríži, ktorý má vlastnú grantovú schému – veľké koncerny ju zvyknú mať. Takže to, na čo sa dívame, financujú Francúzi.“

Nechce sa mi veriť, že na prototype pracuje iba päťčlenný tím. Docent Masaryk vedie oddelenie, pozná študentov i doktorandov, a tak vedel predpokladať, kto by sa na to hodil. Okrem toho mali doktorandi vypísanú aj tému dizertačnej práce, čiže takpovediac zabili dve muchy jednou ranou.

Vývoj prototypu chladiaceho stroja je zložitejší vzhľadom na nadzvukové rýchlosti v dýzach – dynamika plynov je tam veľmi veľká, podľa docenta Masaryka high-tech ako vyšitý. Pýtam sa teda, či to nie je nebezpečné. „To nie, skôr nám robí starosti, či to nebude priveľmi hučať vzhľadom na prúdenie, ktoré potrebujete vyvolať. Aj keď ide o vodu a paru, proces musí mať svoje rýchlosti a svoju dynamiku. Termodynamika je náročná vec.“

Čo bude na streche

Prechádzame do ďalšej miestnosti, kde nás čaká termosolárny Fresnelov kolektor. Ide o reflexný typ kolektora. Ten plochý, ktorý ľudia mávajú na strechách rodinných domov, zvykne byť stavaný na plus-mínus 70 stupňov Celzia. „Vyššie teploty, či už teplej vody alebo vykurovania, v domoch nepotrebujeme. Ale ak chceme dosiahnuť vysokú účinnosť nášho chladiaceho stroja, potrebujeme ich. Preto sme zvolili Fresnelov reflexný kolektor; ten pracuje tak, že slniečko dopadá na jeho zrkadlá, ktoré sú otočné,“ vysvetľuje docent. Ako ide slnko po oblohe, natáčajú sa za ním a odrážajú teplo do zberača, ktorý je nad nimi. „Každé zrkadlo má svoj vlastný pohon a vlastnú matematiku, a podľa ročného obdobia a dennej hodiny sa natáča tak, aby koncentrovalo teplo hore v kolektore,“ vysvetľuje docent s tým, že pre prototyp vymysleli kombináciu plochých a otočných zrkadiel. Ploché dokážu vyrobiť 70 stupňov Celzia a otočné to „dopracujú“ na tých 130, ktoré stroj potrebuje. Samozrejme, teplo z kolektora sa bude môcť používať aj univerzálne, na ohrev vody či dokurovanie.

Termosolárny Fresnelov kolektor

Odolá búrke aj kamencu

Pýtam sa, akú dlhú môže mať takýto kolektor životnosť. „Dvadsať rokov bez problémov. Súčasťou ovládania je totiž aj to, že ak príde typická silná letná búrka, ktorá robí šarapatu s čímkoľvek, čo nie je upevnené, kolektor sa dá do pevnej horizontálnej polohy. Nerozbije to ani kamenec, totiž to, čo je teraz zo zrkadla, bude vo finálnom priemyselnom prevedení z lešteného plechu. A po búrke sa opäť natočí tak, že bude ďalej pracovať.“ Jedinú starostlivosť, ktorú si bude kolektor vyžadovať, je z času na čas ho pretrieť; či už raz za týždeň, alebo raz za mesiac. Podľa znečistenia a ročného obdobia.

V tíme docenta Masaryka to majú rozdelené tak, že jeden člen má ako dizertačku chladiaci stroj a druhý tento kolektor, ostatní spolupracujú. Nekúpili nič; všetko, na čo sa práve pozeráme, si zhotovili sami, s výnimkou veľmi špeciálnych obrábacích prác, ako sú spomínané dýzy. Tie si museli kvôli presnosti nechať spraviť. Projekt beží druhý rok. To, že si všetko vyrobili svojpomocne, je podľa docenta tak trocha z núdze cnosť. „My nemáme poruke sústružníkov, ktorí by to spravili. A až toľko peňazí na tom grante nie je, aby sme si dávali veci vyrábať externe,“ dodáva. Sú teda vedci, výskumníci aj remeselníci zároveň.

Vraciame sa ešte k eventuálnej hlučnosti, ktorá by mohla vo finálnej fáze nastať. „Tu sú rôzne možnosti odhlučnenia, ide o riešiteľný problém. Bežne sa používajú peny, ktoré to efektívne riešia. Rozhodne sme museli pri vývoji riešiť náročnejšie problémy, ako je toto.“

  

Text: Katarína Macková
Foto: Matej Kováč

Predmetné zariadenie pozostáva z dvoch hlavných častí :

  • Fresnelových slnečných kolektorov – zdroja tepla
  • ejektorového chladiaceho systému, ktorý vyrába chlad z tepla

Základom Fresnelových kolektorov sú vyleštené rovinné plechy s jednoduchým osovým natáčaním v horizontále, ktoré odrážajú slnečné žiarenie na absorbér.  Absorbér je sklenená alebo iná priehľadná rúra pod odrazovou strieškou.

Ejektorový chladiaci systém pozostáva predovšetkým zo sústavy troch doskových tepelných výmenníkov, jediný náročnejší komponent je dýza (ejektor), v ktorej sa Venturiho efektom vytvára podtlak. Podtlak v dýze je schopný vysávať pracovnú látku z výparníka, a tak vytvára onen tlakový rozdiel, aký vytvára v klasických chladiacich strojoch kompresor.

 Zdroj: SjF