Ученые представили тепловой насос с гибридной энергией, сочетающий в себе циклы абсорбции и сжатия
Исследователи из Гонконга разработали тепловой насос с гибридной энергией, который органично сочетает в себе циклы абсорбции и сжатия с использованием ионных жидкостей, не требующих кристаллизации, что повышает эффективность и надёжность системы при различных условиях солнечной активности. Моделирование в нескольких городах Китая показало, что система может значительно сократить потребление электроэнергии и расходы на охлаждение, что делает её перспективной для экологичного охлаждения зданий и будущего коммерческого масштабирования.
Тепловой насос с гибридной энергией
Исследовательская группа из Городского университета Гонконга разработала новую систему гибридных тепловых насосов (HEHP), которая позволяет постепенно переходить от абсорбционного цикла к компрессионному. Кроме того, в новой системе в качестве рабочих жидкостей используются хладагенты/ионные жидкости (IL), что позволяет избежать проблем с кристаллизацией.
«Наше исследование представляет собой новый высокоэффективный тепловой насос, который объединяет в себе циклы абсорбционного и компрессионного тепловых насосов, что позволяет плавно переходить от одного типа к другому. Такая гибкость делает систему адаптируемой к изменениям в солнечном излучении и потребности в охлаждении, тем самым повышая энергоэффективность», — рассказал автор исследования Вэй Ву в интервью. «Кроме того, использование некристаллизующихся ионных жидкостей в качестве рабочих жидкостей устраняет ограничения, связанные с кристаллизацией в традиционных абсорбционных циклах, повышая энергоэффективность и гибкость системы в более широком диапазоне температур».
Ву также пояснил, что необходимость в таком решении возникла из-за проблем с абсорбционными тепловыми насосами с тепловым приводом. «На строительный сектор приходится 20–30 % мирового потребления энергии и выбросов углекислого газа, при этом на охлаждение приходится более 10 % мирового потребления электроэнергии, — сказал он. — Абсорбционные тепловые насосы с тепловым приводом могут значительно сократить потребление электроэнергии, но им мешают такие проблемы, как низкая надёжность, ограниченная применимость, низкий КПД и ограничения, связанные с кристаллизацией».
В своём последнем исследовании команда смоделировала работу новой системы в начальной школе с различными источниками света и в разных местах по всему Китаю. Однако, по словам Ву, в настоящее время группа планирует дальнейшие исследования, чтобы изучить возможности масштабирования этой системы для более крупных коммерческих и промышленных предприятий. «Это включает в себя оптимизацию стратегии управления гибридными конфигурациями и оценку целесообразности интеграции HEHP с возобновляемыми источниками энергии в различных географических регионах с разным климатом. Кроме того, будут изучены недорогие и надёжные рабочие жидкости для масштабируемых и доступных приложений», — сказал он.
Система состоит из двух параллельных подциклов: абсорбционного подцикла, работающего от теплового компрессора, получающего солнечное тепло, и компрессионного подцикла, работающего от электрического компрессора. Они имеют общий контур хладагента, что позволяет динамически распределять поток хладагента между абсорбционным и компрессионным подциклами в зависимости от наличия солнечной энергии и потребности в охлаждении. Система работает в трёх режимах: в режиме чистого абсорбционного цикла, когда солнечного излучения достаточно для удовлетворения потребности в охлаждении; в гибридном абсорбционно-компрессионном режиме, когда солнечная энергия доступна, но её недостаточно; и в режиме чистого компрессионного цикла, когда солнечное излучение слабое или отсутствует.
После настройки системы команда протестировала её работу с различными хладагентами, а именно с двумя вариантами воды (H2O)/хладагента, четырьмя вариантами аммиака (NH3)/хладагента, двумя вариантами гидрофторуглеродов (HFC)/хладагента и двумя вариантами тяжёлого мазута (HFO)/хладагента. Системы с различными хладагентами были спроектированы для типичной начальной школы площадью 4680 м2 и рассчитаны на работу в будние дни с 8:00 до 18:00. Динамическая нагрузка на систему охлаждения была смоделирована с помощью почасового моделирования для четырёх городов: Пекина, Шанхая, Гонконга и Сингапура. Интенсивность солнечного излучения в этих городах составляет 0,149 кВт/м2, 0,132 кВт/м2, 0,140 кВт/м2 и 0,186 кВт/м2 соответственно.
«Цикл с использованием NH3/[DMIM][DMP] был признан наиболее подходящей альтернативой из-за высокого электрического коэффициента полезного действия (КПД) в 19,2 и значительно более высокой компактности», — добавил Ву. «Цикл HEHP с использованием NH3/[DMIM][DMP] разработан для Гонконга, а энергоэффективность вспомогательного цикла поглощения солнечной энергии составляет от 0,31 до 0,50. По мере увеличения площади солнечного коллектора КПД увеличивается с 6,8 до 19,8, в то время как потенциал охлаждения установки снижается с 1,75 кВтч / м2 / день до 0,64 кВтч / м2 / день.”
В заключение он добавил, что усреднённая стоимость охлаждения сначала снижается, а затем возрастает, что отражает взаимосвязь между более высокими первоначальными затратами и снижением эксплуатационных расходов. При площади солнечного коллектора 600 м2 самая низкая стоимость составляет 0,075 доллара США за кВт·ч. «При относительном улучшении коэффициента удовлетворения спроса с 27,7 % до 47,5 % и снижении потребления электроэнергии на 39,4–110,0 МВт·ч/год цикл HEHP демонстрирует высокую эффективность и гибкость в применении для экологичного охлаждения зданий», — заключил он.
Система была представлена в статье «Гибкий тепловой насос с гибридной энергией, использующий эффективные ионные жидкости для экологичного солнечного охлаждения», опубликованной в Applied Energy. В исследовании приняли участие учёные из Городского университета Гонконга и Исследовательского института Городского университета Гонконга в Шэньчжэне, Китай.