Informacje ogólne

Projekt dotyczy zasadniczo chłodzenia budynków użyteczności publicznej (szpitali, uniwersytetów, ośrodków opieki zdrowotnej, urzędów, itp.). Rozwój słonecznych instalacji chłodniczych jest ważny z punktu widzenia zmniejszenia zużycia energii pierwotnej w budynkach oraz ich obecnego uzależnienia od energii sieciowej, a nie energii wytwarzanej na miejscu przy użyciu źródeł odnawialnych. Dekarbonizacja budynków ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia celów określonych w Porozumieniach Paryskich. Zapotrzebowanie na chłodzenie przestrzeni wzrosło o ponad 33% w latach 2010–2018 i o 5% w latach 2017–2018. Chociaż dostarczanie ciepła jest nadal głównym końcowym zapotrzebowaniem na energię w sektorze budownictwa, to chłodzenie pomieszczeń pozostaje najszybciej rosnącym zużyciem końcowym. Kwestia klimatyzacji zasilanej energią słoneczną jest niezwykle ważna w kontekście warunków technicznych, mieszkaniowych i socjalnych. Z roku na rok wzrasta zapotrzebowanie na urządzenia klimatyzacyjne, które nie są już luksusem, lecz codzienną potrzebą wynikającą z postępujących zmian klimatycznych.

Innowacyjność proponowanego w ramach projektu COOLSPACES systemu chłodzenia przejawia się głównie w zastosowanych czynnikach chłodniczych. Instalacja pilotażowa będzie wykorzystywała mieszankę dwuskładnikową lub trójskładnikową, której istotnym komponentem będą węglowodory (HC). Dzięki zastosowaniu powyższego rozwiązania możliwe będzie uzyskanie niskiego wpływu czynnika chłodniczego na środowisko (GWP poniżej 150), co jest zgodne z zapisami Rozporządzenia (UE) nr 517/2014. Jednocześnie możliwa będzie poprawa wydajności cyklu chłodzenia poprzez poprawę właściwości termodynamicznych substancji w stosunku do czystych węglowodorów, dzięki czemu możliwym będzie uzyskanie wysokiej efektywności energetycznej (EER) urządzenia. Eksploatacja systemu w połączeniu z krótkotrwałym magazynowaniem energii termicznej rozszerzy zakres działania systemu poza godziny nasłonecznienia niezbędne do uruchomienia systemu klimatyzacji. Poprawi to wydajność energetyczną budynku poprzez jego wstępne chłodzenie w godzinach porannych. Kolejną innowacją systemu jest zastosowanie materiałów zmiennofazowych (PCM) w postaci wymiennych wkładów magazynujących energię, co w połączeniu z możliwością płynnej regulacji temperatury parowania czynnika chłodniczego pozwoli na optymalną regulację temperatury przemiany fazowej i zwiększy możliwość akumulacji chłodu, bez konieczności szeroko zakrojonych ingerencji technicznych w zbiorniki magazynowe. Wreszcie, wykorzystanie paneli fotowoltaicznych jako źródła zasilania sprężarek inwerterowych i autonomicznego systemu sterowania pracą umożliwi optymalne wykorzystanie i dystrybucję zebranej energii między bezpośrednie chłodzenie budynku a magazynowanie w materiałach zmiennofazowych. Kolejną zaletą rozwiązania jest zmniejszenie strat energii poprzez wykorzystanie ciepła skraplania do podgrzewania wody użytkowej na potrzeby własne.

Cały zasilany energią słoneczną system chłodzenia budynku jest podzielony na cztery podsystemy:

• nowo projektowane demonstracyjne urządzenie chłodnicze, oparte na przyjaznych dla środowiska czynnikach chłodniczych i napędzany dzięki energii odnawialnej;
• podsystem krótkoterminowego magazynowania chłodu z wykorzystaniem materiałów zmiennofazowych;
• podsystem dystrybucji chłodu i ciepła wewnątrz budynku i monitorowania pracy układu; oraz
• instalację paneli fotowoltaicznych zapewniających napęd całego systemu chłodzenia i moduł magazynowania energii elektrycznej.

W okresie letnim zapotrzebowanie na chłodzenie badanego budynku będzie pokrywane przez zbiorniki magazynowe energii termicznej, pracujące w temperaturze 1°C-6°C, sprzężone z urządzeniem chłodniczym. Skraplacz chillera pracujący w tandemie ze zbiornikiem ciepłej wody użytkowej (25°C-45°C) ma dodatkowo zapewnić częściowe pokrycie zapotrzebowania na c.w.u. budynku. W okresach niższego zapotrzebowania na chłodzenie, chiller ładować będzie zbiorniki magazynowe wypełnione materiałem zmiennofazowym, w celu przechowywania nadwyżki energii. Zostanie ona spożytkowana na przykład w pochmurne dni, gdy padająca energia słoneczna jest niewystarczająca do napędzania urządzenia chłodniczego lub jego pracy z wymaganą mocą. Wykorzystanie modułów fotowoltaicznych w połączeniu z akumulatorami energii jako głównego źródła zasilania systemu ma umożliwić jego pracę bez konieczności pobierania dodatkowej energii z sieci.

Działanie całego systemu będzie całkowicie automatyczne – zarządzając wszystkimi kluczowymi zmiennymi monitorowania, wybierając optymalne algorytmy sterowanie systemem, dopasowując chwilową produkcję energii z modułów PV do zapotrzebowania na moc chłodniczą i umożliwiając przechowywanie nadwyżki energii w akumulatorach lub w formie energii termicznej.

Projekt COOLSPACES zbada pracę systemu zasilanego energią słoneczną, który wykorzystuje alternatywne czynniki chłodnicze, fotowoltaiczny system produkcji energii elektrycznej i zbiorniki magazynowe wypełnione materiałem zmiennofazowym (PCM) pracujące w tandemie. Takie podejście nie zostało jeszcze w pełni wypróbowane w zastosowaniach sektora budowlanego i stanowi duże wyzwanie technologiczne, przewyższające wydajność istniejących rozwiązań, a tym samym istotne w zakresie ograniczenia postępującego zużycia energii i zmian klimatu. Ideą leżącą u podstaw przedstawionej propozycji jest wykorzystanie energii słonecznej pobranej dzięki panelom fotowoltaicznym i napędzanie nowo zaprojektowanego, demonstracyjnego urządzenia opartego na czynnikach chłodniczych o znikomym wpływie na tworzenie efektu cieplarnianego, podczas sezonu chłodniczego w dwóch wybranych lokalizacjach w Europie (Polska i Hiszpania), co umożliwi zbadanie korzyści wynikających z zastosowania proponowanego rozwiązania w różnych warunkach klimatycznych. W szczególności skupimy się na wykazaniu niezawodności technicznej i kosztowej oraz wydajności obu systemów pilotażowych. COOLSPACES aspiruje do bycia systemem prototypowym, który może być wdrożony w wielu europejskich lokalizacjach i który będzie stanowił podstawę wysoce użytecznego produktu.