Získávání vody ze vzduchu v klimatických podmínkách pouště

Text popisuje první část technologie, která slouží pro získávání vody z extrémně suchého vzduchu,na jejímž vývoji pracují výzkumníci z Univerzitního centra energeticky efektivních budov ve spolupráci s Fakultou strojní ČVUT v Praze.

Systém kombinuje řadu technologií pro zajištění autonomního provozu: od vlastního získávání vody ze vzduchu v suchých oblastech, kde prakticky nelze použít prosté zchlazení vzduchu pod teplotu rosného bodu, přes rekuperaci tepla v rámci samostatné jednotky až po využití obnovitelných zdrojů tepla, chladu a elektrické energie, dostupných v pouštním prostředí.

Systém je vyvíjen pro odlehlé pouštní oblasti bez technické infrastruktury, bez dostupnosti energetických sítí a zdrojů vody.

Typickými návrhovými a provozními podmínkami systému S.A.W.E.R. nejsou podmínky pobřežního města Dubaj (Spojené arabské emiráty), kde bude od října 2020 do dubna 2021 systém představen, ale podmínky v centrální části Arabského poloostrova reprezentovanými lokalitou Rijád (Saúdská Arábie).

V tab. 1 jsou pro obě města porovnány charakteristické klimatické údaje: teplota venkovního vzduchu te [°C], měrná vlhkost venkovního vzduchu xe [g/kg suchého vzduchu] a úhrn sluneční energie na vodorovnou rovinu H [kWh/m² . rok].

Teplotně jsou lokality relativně srovnatelné, nicméně z pohledu měrné vlhkosti je patrný významný rozdíl. Zatímco v lokalitě Dubaj je celoročně vysoká vlhkost díky poloze města na pobřeží moře, v lokalitě Rijád je měrná vlhkost extrémně nízká. V obou lokalitách je vysoká úroveň úhrnu slunečního záření, která může být předpokladem pro jeho využití k produkci energie.

Na rozdíl od průměrných hodnot, které mohou dát pouze povrchní náhled na lokalitu, jsou významnějším zdrojem informací četnostní křivky. V grafu na obr. 1 je uvedena kumulativní křivka četnosti výskytu teplot a na obr. 2 křivka četnosti výskytu měrné vlhkosti v obou lokalitách.

Zatímco denní teploty jsou podobně vysoké, v pouštním prostředí Rijádu mohou teploty především v noci klesat relativně nízko. Větší rozdíl je však patrný právě v měrné vlhkosti. Zatímco v Dubaji se vlhkost během roku mění v širokém rozsahu od nízkých hodnot okolo 5 g/kg do 25 g/kg, v pouštním prostředí Rijádu je měrná vlhkost stabilně nízká po celý rok mezi 4 až 6 g/kg suchého vzduchu.

Princip

V oblasti získávání vody ze vzduchu existuje celá řada komerčně dostupných zařízení, které pracují na principu kondenzace vzdušné vlhkosti na chladiči. Taková zařízení lze bez problémů použít v oblastech s celoročně nebo sezónně vysokou měrnou vlhkostí vzduchu.

Nicméně v případě extrémních podmínek suchých pouští nejsou kondenzační zařízení schopna získat významné množství vody, jak ukazuje následující analýza. I proto se základem vyvíjeného zařízení stal sorpční regenerační systém.

Navrhované zařízení pracuje na bázi adsorpce molekul vody na povrchu desikantu naneseném na rotačním výměníku (viz obr. 3). Desikant váže na svém povrchu molekuly vody z proudícího pouštního suchého vzduchu a vysušený (a mírně zahřátý) vzduch odchází zpět do okolního prostředí.

Pro regeneraci desikačního výměníku je použit rovněž venkovní vzduch, avšak o významně menším průtoku (např. polovičním). Před vstupem do desikačního výměníku musí být tento vzduch ohříván na vysokou teplotu (cca 65 až 80 °C). Díky vysoké teplotě dochází k odparu vody a voda ve formě vodní páry přestupuje z povrchu desikantu do regeneračního vzduchu.

Tím se regenerační vzduch navlhčí a ochladí, neboť se obohatí o vlhkost přenesenou rotačním výměníkem. Vlhký vzduch následně vstupuje do chladiče s nízkou povrchovou teplotou (např. 5 °C), kde vodní pára obsažená ve vzduchu již snadno zkondenzuje. V zařízení se zároveň využívá recirkulace vzduchu a smícháním s nasávaným vstupním vzduchem.

Vzduch vystupující z chladiče má totiž často vyšší obsah vodní páry než venkovní nasávaný. Navíc může být výrazně chladnější než nasávaný vzduchu, a tak přispívá ke snížení teploty celého proudu vzduchu vstupujícího do adsorpčního výměníku a umožňuje jeho vyšší odvlhčení.

Pro porovnání jednoduchého kondenzačního zařízení, které využívá chladiče o povrchové teplotě 5 °C, s navrženým sorpčním zařízením byly provedeny celoroční simulace s využitím hodinových klimatických údajů pro Rijád a pro Dubaj.

Výpočty byly provedeny pro celkový průtok venkovního vzduchu 2 000 m³/h a stejné dostupné chladicí výkony pro obě zařízení. V pouštním prostředí Rijádu je průměrná denní produkce kondenzačního zařízení okolo 28 l/den, zatímco sorpčního zařízení až 220 l/den.

Nízká celoroční produkce kondenzačního zařízení je dána především skutečností, že v případě průměrných podmínek stavu vzduchu v poušti: teplota 30 °C, relativní vlhkost 20 %, odpovídajícím měrné vlhkosti 5,3 g/kg, nezkondenzuje na chladiči kondenzační jednotky vůbec žádná voda, zatímco produkce sorpční jednotky při stejných podmínkách je okolo 8 l/h.

Pokud by bylo stejné zařízení provozováno ve výrazně vlhčím prostředí Dubaje, pak by průměrná denní produkce kondenzační jednotky byla 363 l/den. I zde by však sorpční jednotka měla vyšší přínos. Je vidět, že adsorpční zařízení má daleko vyšší potenciál získat z venkovního vzduchu vodu během celého roku.

Sorpční jednotka s návrhovým průtokem procesního vzduchu 2 000 m³/h a regeneračního vzduchu 1 000 m3/h byla postavena a zkušebně testována v halové laboratoři UCEEB ČVUT, kde byla k tomu účelu postavena zkušební komora pro simulaci různých klimatických podmínek.

Testování jednotky mělo za cíl ověřit matematický model sorpčního výměníku používaného ve výpočtech a také odladit regulaci provozu jednotky a kompresorového zařízení. Na obr. 4 je porovnáván model a měření při různých stavech venkovního vzduchu nasávaném jednotkou.

Autonomní provoz

Pro pohon sorpční jednotky je potřeba energie: elektrická energie, teplo a chlad. Aby bylo možné zařízení provozovat autonomně bez napojení do elektrické sítě, je nezbytné, aby energie pocházely z místních obnovitelných zdrojů dostupných v prostředí pouště.

Základem pro návrh systému pro autonomní provoz je rekuperace energií v samotné sorpční jednotce. Kompresorová chladicí jednotka, která na výparníku odebírá teplo při kondenzaci vodní páry, přečerpává toto teplo do kondenzátoru k předehřevu vzduchu pro regeneraci sorpčního výměníku a zbytkové teplo předává procesnímu ovlhčenému vzduchu v sekundárním kondenzátoru na výstupu z jednotky do okolí.

Pro regeneraci sorpčního výměníku je potřeba relativně vysoké teploty až 80 °C. Zdrojem tepla pro dohřev regeneračního vzduchu jsou solární tepelné kolektory (22 m²), napojené na akumulační zásobník tepla
(1 m³).

Vzhledem ke každodenní dostupnosti slunečního záření v prostředí pouště se jedná o relativně spolehlivý zdroj tepla během dne, ve spojení s akumulací navíc s relativně rovnoměrným výkonem. Pro snížení potřebného chladicího výkonu kompresorové jednotky byl navržen předřazený chladič pro snížení teploty regeneračního vzduchu před vstupem do výparníku.

Jako zdroj chladu byly navrženy nezasklené hybridní fotovoltaicko-tepelné kolektory, které v nočním provozu při nízkých teplotách okolního vzduchu umožňují cíleně ztrácet teplo jednak odvodem svou plochou do okolí, a především sáláním vůči jasné obloze, která má velice nízkou teplotu.

Akumulátory chladu o celkovém objemu 2 m³ jsou pak zdrojem energie pro chlazení v denním provozu jednotky. Nezasklené hybridní FVT kolektory slouží ve dne jako zdroj elektrické energie společně s dalšími fotovoltaickými panely.

Fotovoltaický systém s celkovou plochou 96 m² je doplněn bateriovým úložištěm (s kapacitou 30 kWh) pro vyrovnávání denních výkyvů dostupnosti fotovoltaické elektřiny a slouží jako zdroj elektrické energie pro chladicí jednotku a celý systém (oběhová čerpadla, větrání prostorů, regulace).

Schéma navrženého systému pro autonomní provoz je uvedeno na obr. 5. Zařízení s uvedenými parametry prvků pro autonomní provoz neumožňuje pracovat nepřetržitě 24 hodin denně, a proto ročně v prostředí pouště (Rijád) vyprodukuje v průměru okolo 100 l/den.

Zařízení bylo navrženo v univerzálním dvojkontejnerovém provedení (obr. 6). Vnější půdorysné rozměry každého kontejneru jsou 6,0 × 2,4 m, výška kontejneru je 2,9 m (kontejner 20′ certifikovaný pro námořní přepravu).

Produkční kontejner obsahuje sorpční jednotku, zásobník vyrobené vody a zařízení pro její úpravu na vodu pitnou. Produkční kontejner lze provozovat napojením na elektrickou síť nebo napojením na druhý energetický kontejner koncipovaný jako zdroj energie.

Energetický kontejner obsahuje jednak bateriové úložiště, akumulační zásobníky (teplo, chlad) a napojení na elektrické a potrubní rozvody solárních prvků (solární kolektory, fotovoltaické panely, nezasklené FVT kolektory) umístěných na střeše o rozměrech 10,7 × 12,6 m vynesené nad oběma kontejnery.

Závěr

Získávání vody ze vzduchu v prostředí pouště není principiálně složité, jedná se pouze o využití známých principů v netradiční aplikaci. Nicméně obsahuje řadu prvků, které pomáhají výrazně snížit energetickou náročnost, a tedy umožnit autonomní provoz.

Po integraci všech potřebných zařízení do obou kontejnerů a odzkoušení funkčnosti bude jednotka pro získávání vody ze vzduchu v průběhu roku 2019 převezena z laboratoří UCEEB ČVUT na farmu do pouště ve Spojených arabských emirátech, kde bude podrobena zkušebnímu provozu v reálných pouštních podmínkách.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 2/2019.