066 - Ako vyrobiť chlad z tepla? | Ejektorové chladenie - prof. Ing. Michal Masaryk, PhD.
prof. Ing. Michal Masaryk, PhD.
Prof. Ing. Michal Masaryk, PhD. je profesorom energetiky na Slovenskej technickej univerzite. Učí na Strojníckej fakulte a Stavebnej fakulte STU. Ako hosťujúci profesor pôsobí na Energetickom ústave Vysokého učenia technického v Brne a na FH Technikum Wien. Vedie tím, ktorého špecializáciou sú teplom poháňané chladiace stroje.
Kľúčové slová
ejektorové chladenie, ejektor, chlad z tepla, teplom poháňané chladenie, chladiaci stroj, Venturiho trubica, Venturiho princíp, paroprúdový kompresor, entalpia, kompresor, kompresorové chladenie, termosolárny kolektor, solárne teplo, odpadové teplo, priemyselné odpadové teplo, stropné chladenie, sálavé chladenie, rosný bod, výparná teplota, chladiaci výkon, tepelný výkon, regulácia chladiaceho systému, trojcestný ventil, dimenzovanie chladiaceho systému, potreba chladu, tepelná záťaž budovy, pasívne chladenie, tienenie, vonkajšie žalúzie, prirodzené chladenie, prirodzené vetranie, geometria budovy, svetlíky, tienenie svetlíkov, adaptívne tienenie, odrazivé povrchy, popínavé rastliny, komínový efekt, adiabatické chladenie, vodná hmla, chladenie strechy, dátové centrá, vodné chladenie dátových centier, rekuperácia odpadového tepla, energetická efektívnosť chladenia, klimatická adaptácia budov
Praktické rady
V prípade slnečného tepla môžu byť záchytným zariadením termosolárne kolektory umiestnené na streche alebo na fasáde, kde teplo zachytávajú a zároveň odľahčujú budovu od nežiaducej tepelnej záťaže.
Oplatí sa [ejektorové chladenie] vtedy, ak [hnacie] teplo máme zadarmo alebo za veľmi nízku cenu. Neoplatilo by sa [ejektorové chladenie], ak by sme [hnacie] teplo museli umelo vyrábať, napríklad spaľovaním zemného plynu. To nedáva zmysel ekonomicky ani ekologicky.
Sústava dýz sa vždy navrhuje na určité teploty, ktoré mám k dispozícii, a na určité výkony. Teploty, od ktorých už vieme [ejektorový chladiaci] stroj v súčasnom stave vývoja poháňať, sú od približne šesťdesiatpäť stupňov. Ak mám takéto [približne 65 °C] teplo k dispozícii, stroj automaticky nabieha a produkuje chlad.
Ak ide chlad do stropných alebo iných chladiacich systémov, ktoré musia byť nad rosným bodom, nastaví sa výparná teplota, čiže súvisiaci spodný tlak, aby stroj dával potrebnú teplotu. Dýzy sú optimalizované na tlaky, teploty a prietoky chladiva a na definovanú teplotu. Nie je tam príliš veľký regulačný rozsah. Toto [testované ejektorové chladiace] zariadenie je nadimenzované tak, že teplota hnacej vody môže byť od šesťdesiatpäť do osemdesiat až osemdesiatpäť stupňov. Ak mám z nejakých dôvodov vyššiu [teplotu hnacej vody], na vstupe ju musím zregulovať. Dá sa to urobiť klasicky cez trojcestný ventil, aby do stroja išla napríklad iba osemdesiatstupňová a nie stodvadsaťstupňová voda.
Koľko chladu potrebuje budova, je vec vzduchárov alebo návrhárov budovy. Profesista TZB vypočíta, koľko kilowattov chladu budova potrebuje vo vrcholnom lete alebo v máji. Na nás potom príde požiadavka, napríklad že budova potrebuje osemdesiat kilowattov chladu, a my postavíme taký stroj alebo skupinu strojov, ktoré dajú osemdesiat kilowattov chladu. Pri daných podmienkach môže byť účinnosť [ejektorového chladiaceho] stroja vo vrcholnom lete približne 0,5 až 0,7. Zo sto kilowattov tepla, napríklad osemdesiatstupňového, viem urobiť približne sedemdesiat kilowattov chladu. Musím teda použiť toľko panelov, aby som dostal potrebný tepelný výkon. [Potrebný tepelný výkon] súvisí aj s miestom na streche, či mám priestor na potrebný výkon alebo nie. Keď je miesta menej, časť potreby môžem zabezpečiť [ejektorovým chladením] a časť klasicky.
Je výhodné budovu vždy riešiť tak, aby sa tepelná záťaž v lete dovnútra ani nedostala. Tienenia, všetky možné prírodné spôsoby chladenia, tvary okien, fólie a až potom na konci dávať akékoľvek stroje. Začnem tým, že viem, koľko chladu budem mať. A tak navrhnem budovu, aby viac ani nepotrebovala.
V prvom rade ich [ejektorové chladiace zariadenia] treba dobre otestovať v prevádzkových podmienkach a dostať cenu na rozumnú úroveň. Ja by som to videl ako kombináciu obidvoch [ejektorových a kompresorových chladiacich] riešení a podľa situácie ich kombinovať alebo nasadzovať jedno či druhé.
Máme veľa priemyselných prevádzok, kde rôzne odpadné teplo z pecí, kompresorov alebo klimatizačných systémov ide v lete do komína. Tam to teplo je. Treba ho zobrať a použiť.
Architekt musí mať popri obrovskej škále vedomostí od estetických vied cez mechaniku a stavebné vedy až po sociológiu aj základy prenosu tepla. Bez toho sa moderný architekt nezaobíde. Nemôže sa spoliehať iba na profesistov TZB, ktorí mu spočítajú tepelnú záťaž. Architekt musí mať povedomie aj o fyzikálnej disciplíne zvanej prenos tepla alebo termodynamika. Nemusí byť expert. Tak ako musí mať povedomie o stavebnej mechanike a vedieť, čo si môže dovoliť, musí vedieť aj to, čo si môže dovoliť z pohľadu energií.
Opatrení je celá škála, od povrchov a ich odrazivosti až po geometriu budovy. Na juhu, v Stredomorí, sú budovy biele, používajú sa žalúzie, prirodzené vetranie, popínavé rastliny na strechách a fasádach a dajú sa využívať prirodzené komínové efekty. Dá sa využívať adiabatika, postrekovanie vodou a vodné hmly. Pokiaľ je voľne k dispozícii úžitková alebo dažďová voda, strechu možno jemne polievať, aby sa podchladzovala.
Obrovskou vstupnou bránou pre tepelnú záťaž sú svetlíky. Cez svetlík sa dovnútra stavieb valí veľké množstvo tepla, ktoré sa potom pracne odstraňuje klimatizáciou. Preto treba dávať veľký pozor na svetlíky, prípadne im zabezpečiť adaptívne tienenie.
Názory hosťa
Chlad je drahá energetická komodita a vždy bola. Paradoxne hnacia energia okrem elektrickej alebo mechanickej pohonnej energie môže byť aj teplo.
Chladiaci stroj je vlastne pumpa, ktorá pumpuje teplo zo studenej strany na teplú. Na teplej strane okruhu je vysoký tlak chladiva, na studenej strane nízky. Aby chladivo chodilo stále dokola a robilo svoju prácu, kompresor pretláča pary chladiva z nízkotlakovej studenej strany na vysokotlakovú. Kompresor má každá chladnička, každé tepelné čerpadlo, každá klimatizácia. Je to zariadenie, ktoré spotrebúva väčšinou elektrickú energiu, pretože je poháňané elektromotorom.
Jeden z [princípov zvyšovania tlaku bez mechanického kompresora] je takzvaná Venturiho trubica. Je to v podstate zúžený prierez a v tom zúženom priereze dochádza k zrýchleniu média, ktoré cez neho prúdi. Ak mám zúžený priemer rúry, tak v zúžení ide voda, plyn alebo čokoľvek iné rýchlejšie. Bočný efekt, ktorý nás zaujíma, je, že v tom zúžení vzniká podtlak, technicky povedané tlakový rozdiel delta P.
Ak je para o vysokom tlaku a vysokej teplote, dobre expanduje. Energetici to volajú entalpia, taká zhrnutá energetická veličina, energetický obsah. Práve vtedy výborne expanduje a sací efekt je výrazný.
Keď vo výparníku znížite tlak chladiva, chladivo začne vrieť, pretože bod varu závisí od tlaku. Keď v nádobe znížite tlak chladiva, spôsobíte jeho var, čiže zmenu skupenstva. Vrenie je energeticky náročné a chladivo si začne brať teplo z okolia. [Chladivo pri vyparovaní] potrebuje veľa energie a berie si ju z okolia, čo znamená, že okolie ochladzuje.
[Kompresiu] zabezpečíme inou fyzikálnou metódou. Toto zariadenie sa volá paroprúdový kompresor na rozdiel od klasického mechanického.
Tento spôsob chladenia sa objavil začiatkom dvadsiateho storočia. Aj vtedy sa chceli vyhnúť mechanickým kompresorom. Dvadsať až tridsať percent trhu chladiacich zariadení v ére parných strojov bolo takto poháňaných. Úplne prvé ejektory sa objavili v druhej polovici devätnásteho storočia, keď potrebovali dostať vodu v parných lokomotívach zo zásobníka do kotla.
Zariadenie, o ktorom je reč, je chladiaci stroj. Jeho produktom je niečo studené, v našom prípade studená klimatizačná voda, a vstupnou energiou, ktorá to zabezpečuje, je teplo. Teplo môže byť akéhokoľvek pôvodu. Môže to byť solárne teplo, odpadné teplo z priemyslu, v podstate čokoľvek, čo máme k dispozícii. Na výstupe je studená voda alebo studený glykol.
V letných horúčavách sa nevyužité megawatty tepla nachádzajú na strechách a v továrňach. My ho vieme uchopiť, dostať do stroja a z druhej strany vypustiť chlad. Environmentálny aj ekonomický dosah je značný, ak to teplo mám.
Čo sa týka elektrickej energie, potrebujeme ju na pohon obehového čerpadla. To je niekoľko desiatok wattov. Elektrickú energiu samozrejme vyžaduje aj riadiaci a komunikačný systém.
[Pri testovaní prototypu] sústava kolektorov dokázala zabezpečiť teplotu okolo šesťdesiatštyri až šesťdesiatpäť stupňov Celzia. To je dolná hranica, pri ktorej už má stroj pracovať, a tak sa aj stalo. Chladiaci stroj pracoval a dodával vodu s teplotou, na ktorú bol navrhovaný. V návrhu bolo požadované, aby studená voda do stropného chladenia mala približne osemnásť až dvadsať stupňov Celzia. [Ejektorový chladiaci] stroj pracoval aj v reálnych podmienkach pri májových testoch presne tak, ako bol navrhnutý a ako preukázal svoje vlastnosti v laboratóriu.
Termosolárne kolektory majú aj inú funkciu. V prechodnom období môžu byť zdrojom tepla na teplú vodu alebo dokurovanie.
Účinnosť [ejektorového chladiaceho systému] sa vždy mení podľa teplotných podmienok, ktoré mám k dispozícii.
Kompresorové chladiace zariadenia nie sú náhodou také rozšírené. Keď máte elektrinu, fungujú vždy, sú spoľahlivé a overené.
Konkurentom [ejektorového chladenia] je aj klasická zostava, keď použijem veľa ostrovnej fotovoltiky a ňou poháňam klasické kompresorové zariadenie. Kompresorové zariadenie potom môže v prípade oblačnosti alebo iného problému fungovať aj na elektrinu zo siete. Aj to je cesta, aby sme neabsolutizovali, že sme vynašli niečo úžasné.
Termický kolektor pracuje približne so sedemdesiatpercentnou účinnosťou. Samotný ejektorový stroj má nižšiu účinnosť ako kompresorový, ale termický kolektor je zase účinnejší ako fotovoltika. Tým sa to do istej miery vyvažuje.
Primárne použitie [ejektorového chladenia] vidím v priemysle.
Obrovské pole sa črtá pri veľkých dátových centrách. Zdá sa, že dominantným spotrebiteľom energie na svete budú veľké dátové centrá, do ktorých už začínajú plynúť desiatky až stovky megawattov. Výpočtový výkon, ktorý potrebujú [dátové centrá] aj v súvislosti s rozvojom umelej inteligencie, nakoniec skončí ako teplo. Výkonné dátové centrá sú dnes chladené vodou. Samotné procesory alebo racky sú chladené vodou a vieme tam dostať približne šesťdesiatstupňové teplo. Priamo vo veľkých dátových centrách ho vieme ejektormi otáčať naspäť na chlad. Úspory [pri využití tepla dátových centier na ejektorové chladenie] môžu byť naozaj gigantické.
Ejektor nie je jediný spôsob teplom poháňaného chladiaceho stroja. Existujú aj staré známe absorpčné stroje, ale tie sú pre naozaj veľké výkony a sú komplikované. Výhodou ejektorového systému je, že je veľmi jednoduchý. Okrem jednoduchého kvapalinového obehového čerpadla tam [v ejektorovom chladiacom systéme] nie je ani jeden pohyblivý diel.
Výpočet dýz je náročný, pretože sú tam nadzvukové prúdenia. Keď už však dýzy máte navrhnuté na daný rozsah teplôt a výkonu a vyrobíte ich tak, ako treba, zariadenie môže pracovať veľmi dlho, až kým napríklad neunikne chladivo.
Umiestňovanie veľkých dátových centier na dno oceánu alebo do vesmíru nie sú realistické projekty vo veľkom rozsahu. Na severe máte lacnú elektrinu, napríklad z vodných elektrární v severnom Nórsku, a zároveň dobré podmienky na chladenie. Nie vždy však môžete dátové centrum umiestniť na severe.
Ktorú [energiu] nepotrebujem, nevyrobím a nespotrebujem.
Miroslav Marko
Krok číslo jeden pri chladení musí urobiť architekt. Od toho, ako architekt navrhne budovu vrátane tienenia a orientácie, sa bude odvíjať, či technológia dovolí vyrábať potrebný chlad prevádzkovo takmer zadarmo. Logickejšie je urobiť budovu tak, aby potrebovala čo najmenej chladu. Čím menej chladu bude [budova] potrebovať, tým menej termických panelov, zariadení a stropného alebo stenového sálavého systému bude potrebných.
Budovu treba navrhnúť tak, aby dostupné množstvo chladu predstavovalo hornú hranicu jej potrebného chladu.
Pri energetickej hospodárnosti budov na bývanie sa momentálne chlad neposudzuje. Myslím si, že je len otázkou času, kedy sa [posudzovanie chladu pri energetickej hospodárnosti budov] zásadne zmení. Počasie, ktoré sa teraz deje, ukazuje, že sa to musí zmeniť.
Ak sa má chladenie robiť udržateľne a ekologicky, základom je potrebovať čo najmenej energie. Najekologickejšia energia je tá, ktorú nepotrebujem.
