ABSCHLUSSBERICHT. Öffentliche Version. Projektträger Jülich Förderkennzeichen: A Laufzeit:

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1 F RAUNHOF ER -INSTITUT FÜR SOL ARE ENERGIESYSTEME, ISE ABSCHLUSSBERICHT Energieeffiziente Kühlung und Entfeuchtung: IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration Mitarbeit und Operating Agent (Teilprojekt 1) Neues, sorptiven Luftentfeuchtung (ECOS) (Teilprojekt 2) Öffentliche Version Projektträger Jülich Förderkennzeichen: A Laufzeit: Autoren: Dr.-Ing. Alexander Morgenstern Dr.-Ing. Constanze Bongs Dr. Stefan K. Henninger Harry Kummer

2 HINWEIS: DAS DIESE M BE RICHT ZUGRUNDE LIE GE NDE VORH ABE N WURDE MIT MITT E LN DES BUNDE SMINISTE RIUM FÜ R WIRTS CHAFT UND T ECHNOLOGIE UNT E R DE N FÖRDE RKENNZE ICHEN A GEFÖRDERT. DIE VERANTWORTUNG FÜ R DEN INHALT DIESE R VE RÖFFE NTLICHUNG LIE GT BEI DE N AUT ORE N. FRAUNHOFE R-INS TITUT FÜR S OLARE E NE RGIES YSTE ME, IS E/ FRE IBURG. FREIBURG, DE N

3 Inhalt 1 Kurzdarstellung Aufgabenstellung und Gesamtziel des Vorhabens Voraussetzungen zur Durchführung sowie Planung und Ablauf des Vorhabens Wissenschaftlicher und technischer Stand Sorptionsgestützte Klimatisierung Neuartiges Lüftungskonzept ECOS Abgrenzung zu früheren Arbeiten zu gekühlten offenen Sorptionsprozessen Zusammenarbeit mit anderen Stellen Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" Einführung Ziele der IEA SHC Task Umfang der IEA SHC Task Struktur und Vorgehensweise Teilnehmer Task Meetings Bewältigte Aufgaben in der Task Ergebnisse der Task Workshops und Konferenzen Zusammenfassung Bericht Teilprojekt 2 Neues, sorptiven Luftentfeuchtung Grundprinzip Prüfstand Planung und Aufbau des Prüfstandes Bezeichnung der Anschlüsse am Prüfling (ECOS-Wärmeübertrager) Sensorik in der Luftkonditionierung und im ECOS-Teststand Anschlussstücke für den Prüfling (ECOS-Wärmeübertrager) Materialvermessungen/-charakterisierung Sorptionsmaterialien Materialvergleich Zyklentests Wärmeübertrager Prototypen Anfertigung von Prototyp I Prototyp II Anfertigung des Prototyp III Wärmeübertrager Prototyp IV Vermessung von Wärmeübertragern Untersuchungen der sorptiv beschichteten Wärmeübertrager-Prototypen Bewertungsparameter zur Charakterisierung von Wärmeübertragern sowohl mit als auch ohne sorptiver Beschichtung Untersuchungen verschiedener Kühloptionen an Prototyp I Messungen am Wärmeübertrager Prototyp II Vergleich der Ergebnisse mit dem Prototyp I Vergleich der Wärmeübertragerprototypen I bis III Untersuchung von Prototyp IV Betrachtung des ECOS-Lüftungsgerätes Modellierungen des Sorptionswärmeübertragers sowie eines ECOS- Lüftungsgerätes Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS 3 162

4 3.6.1 Dynamische Modellierung Kalibrierung und Validierung des dynamischen Modells Modellierung einer verbesserten Systemkonfiguration Erstellung eines TRNSYS-Modells eines ECOS-Lüftungsgerätes Verdunstungskühlung Hydrophile Oberflächenbeschaffenheit Aufbau des Befeuchtungssystems Düsen Bewertung der Verdunstungskühlung Einfluss der Sprühdüsen Betrachtung an WÜ Vergleich der Verdunstungskühlung bei Prototyp I, II und III sowie Wärmeübertrager Detaillierte Beschreibung der Versuche zur Verdunstungskühlung am Prototyp II Untersuchung von Wärmeübertrager Vergleich der Wärmeübertragung ohne und mit Verdunstungskühlung Weiterentwicklung und Optimierung des Verfahrens der Verdunstungskühlung Entwicklung und Optimierung von sorptiven Beschichtungen für offene Systeme Optimierung der thermischen Massen am Wärmeübertrager Eigenentwicklung von Beschichtungstechnologie Evaluierung der geeigneten Beschichtungsverfahren (Recherche und Test) Beschichtungsversuche (Beschichtung mit aktivem Sorptionsmaterial) Charakterisierung von beschichteten Proben (Untersuchung der Kinetik, der Sorptionsgleichgewichte und der Zyklenstabilität) Anpassung der Coating-Anlage auf komplexe Oberflächenstrukturen, z. B. durch Veränderung der Viskosität der Suspension Zusammenfassung und Ausblick Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration Mitarbeit und Operating Agent Teilprojekt 2 Neues, sorptiven Luftentfeuchtung (ECOS) Veröffentlichungen Anlagen Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS 4 162

5 1 Kurzdarstellung Kurzdarstellung 1.1 Aufgabenstellung und Gesamtziel des Vorhabens Das ursprüngliche Verbundvorhaben Energieeffiziente Kühlung und Entfeuchtung war aufgeteilt in die beiden Teilprojekte IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" und "Neues, (ECOS)". Eine schematische Darstellung des Gesamtvorhabens mit den Teilvorhaben und den Aufgaben der Partner zeigt Abbildung 2. Ziel des Gesamtvorhabens war es, einen Beitrag zur Entwicklung und Verbreitung neuer thermisch angetriebener Kühlverfahren zu leisten, die sich besonders für eine Nutzung in Verbindung mit thermischer Solarenergie eignen. Aus diesem Grund wurden die Aktivitäten sowohl auf nationaler als auch auf internationaler Ebene durchgeführt. Ziel des Teilprojektes 1 IEA-Task 38 Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" war es, die Nutzung von Solarwärme zur Gebäudeklimatisierung und Bereitstellung von Prozesskälte voranzutreiben und eine Markteinführung unter adäquater Einbeziehung aller Beteiligten Hersteller, Vertriebsfirmen, planende Ingenieure, Installationsfirmen, Betreiber unter Sicherstellung einer hohen Qualität und Verfügbarkeit der Anlagen zu ermöglichen. Mit dem Vorhaben wurde eine effiziente Leitung des Vorhabens unter dem Dach der Internationalen Energieagentur sichergestellt und ein erfolgreicher Transfer der Ergebnisse an die deutsche Industrie gewährleistet. Die Verwertung der Ergebnisse erfolgte insbesondere durch gezielte Verbreitung an Zielgruppen und die Neuauflage eines umfangreichen Handbuchs für Planer und Anwender. Ziel des Teilprojektes 2 "Neues, (ECOS)" war die Entwicklung eines hocheffizienten Lüftungsgerätes, das unter Nutzung von Niedertemperaturwärme eine hohe Entfeuchtung von Außenluft bei gleichzeitiger Temperaturabsenkung ermöglicht. Die Entwicklung war geprägt durch die Fertigung und Untersuchung verschiedener Wärmeübertrager-Prototypen auf dem Teststand am Fraunhofer ISE und die simulationstechnische Begleitung der Forschungsund Entwicklungsarbeiten. Die erzielten Ergebnisse wurden sowohl innerhalb des IEA- Vorhabens als auch auf zahlreichen nationalen und internationalen Konferenzen vorgestellt. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS 5 162

6 Kurzdarstellung Abbildung 1: Struktur des Gesamtvorhabens 1.2 Voraussetzungen zur Durchführung sowie Planung und Ablauf des Vorhabens Das Teilprojekt 2 (Förderkennzeichen Nr A) hatte eine ursprüngliche Laufzeit vom bis Zu Beginn des Projektes waren als Industriepartner 1 die Firma Klingenburg GmbH für die Fragestellungen Wärmeübertrager, Beschichtung und Herstelltechnik und als Industriepartner 2 die Firma Vaillant GmbH für die Fragestellungen Gerät, Herstelltechnik sowie Regelung- und Systemtechnik beteiligt. Seit dem war die Robert Bosch GmbH anstelle des ursprünglichen zweiten Projektpartners Vaillant GmbH als Partner in das Projekt involviert und ebenfalls über einen entsprechenden Kooperationsvertrag mit dem Fraunhofer ISE bis Ende 2010 gebunden. Die Vaillant GmbH war bereits im Sommer 2008 aus dem gemeinsamen FuE-Projekt ausgeschieden, da sich Vaillant aus strategischen Gründen intern dazu entschieden hatte, den Programmbereich Lüftung nicht weiter auszubauen. Im ersten Halbjahr 2009 traf die Firma Klingenburg GmbH die Entscheidung, zum aus dem gemeinsamen FuE-Projekt auszuscheiden. Als Ursache hierfür wurden die aktuelle wirtschaftliche Lage, neue strategische Prioritäten des Unternehmens sowie die ihrer Meinung nach aufwendigen Komponenten, insb. die Fertigung sorptiv beschichteter Wärmeübertrager, angeführt und damit die daraus nicht mehr resultierende Aussicht auf einen wirtschaftlichen Erfolg des Vorhabens begründet. Durch den Ausstieg des Projektpartners Klingenburg GmbH aus dem FuE-Projekt entfiel damit sowohl der für die Entwicklung der Wärmeübertrager als auch der für die Beschichtungstechnolo- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS 6 162

7 gie verantwortliche Partner. Um den weiteren Projektverlauf nicht zu gefährden, wurden durch das Fraunhofer ISE die Verantwortlichkeiten für die Bereitstellung der beschichteten Wärmeübertrager übernommen. Im Rahmen dessen wurden im Auftrag des Fraunhofer ISE von einem externen Unternehmen zwei Wärmeübertrager mit einer sorptiven Beschichtung versehen und dem Projektpartner Robert Bosch GmbH zur Verfügung gestellt. Kurzdarstellung Durch den Projektfortschritt und die Zusammenarbeit mit der Robert Bosch GmbH ergab sich Forschungsbedarf, insbesondere bei folgenden Arbeitspunkten: Weitere Entwicklung und Optimierung der Komponente Wärmeübertrager, einschließlich der sorptiven Beschichtung von Wärmeübertragern sowie des Prozesses der Verdunstungskühlung. Aus diesem Grund erfolgte die Aufstockung des bisherigen Vorhabens und die Verlängerung der Laufzeit bis zum Die neue Struktur des Projektes mit dem Projektpartner Robert Bosch GmbH sowie die Einordnung der Aufstockung ist der Abbildung 2 zu entnehmen. Zuwendungsgeber BMWi Verbundvorhaben Energieeffiziente Kühlung und Entfeuchtung Bosch Neues hocheffizientes Verfahren zur Luftentfeuchtung - Gerät - Herstelltechnik - Regelung/Systemtechnik Neues hocheffizientes Verfahren zur Luftentfeuchtung - Messungen - Modellierung - Optimierung - Gerätetests - Kopplung Solaranlage Fraunhofer ISE Aufstockung - Wärmeübertrager - sorptive Beschichtung - thermische Massen - Verdunstungskühlung IEA-Task 38 Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Gesamtleitung - Projektmitarbeit in Subtasks: A: Kombianlagen + Kühlung B: Großanlagen C: Neue Konzepte D: Verbreitung, Handbuch Abbildung 2: Einordnung der Vorhabensaufstockung in Bezug zum laufenden Verbundvorhaben Energieeffiziente Kühlung und Entfeuchtung Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS 7 162

8 1.3 Wissenschaftlicher und technischer Stand Kurzdarstellung Die folgende Zusammenfassung des Standes der Technik bezieht sich auf das im Teilprojekt 2 untersuchte Verfahren zur Luftentfeuchtung und kühlung. Die folgenden Ausführungen richten sich nach Bongs [2013]. Es wird zunächst der als Stand der Sorptionstechnik einzuordnende Standardprozess der Sorptionsgestützten Klimatisierung (im Folgenden: SGK-Anlagen) vorgestellt. Der in diesem Projekt betrachtete Prozess, in dem Nachteile des Standardprozesses vermieden werden können, wird dann vorgestellt. Weiter werden frühere Arbeiten zu gekühlten Sorptionswärmeübertragern zusammengefasst und eine Abgrenzung zu diesen vorgenommen Sorptionsgestützte Klimatisierung In offenen Sorptionsprozessen erfolgt eine direkte Konditionierung der Zuluft zu einem Gebäude, meist unter Verwendung der Abluft für den Prozess. Offene Sorptionsprozesse kombinieren die Trocknung der Zuluft durch ein thermisch regenerierbares Trocknungsmittel mit einer Temperaturabsenkung durch Verdunstungskühlung. In Abhängigkeit vom eingesetzten Trocknungsmittel werden die Flüssigsorptions- von den Feststoffsorptionstechnologien unterschieden. Während bei der Flüssigsorption der Wasserdampf durch Absorption in dem Trocknungsmittel in Lösung geht, wird der Wasserdampf bei der Feststoffsorption an der Oberfläche des Adsorbens als Adsorbat angelagert. Die marktverfügbaren SGK-Anlagen verwenden Sorptionsrotoren zur Lufttrocknung. Abbildung 3 stellt diesen kontinuierlich verlaufenden Prozess schematisch dar. Zur klaren Bezeichnung der Luftströme wird die folgende Terminologie eingeführt. Die aus der Umgebung angesaugte Luft, die durch das Sorptionsmaterial getrocknet und nach Konditionierung dem Gebäude als Zuluft zugeführt wird, wird als Sorptionsluft bezeichnet. Die Luft, die zur Desorption eingesetzt wird, wird bis zu Erreichen der Desorptionstemperatur je nach Prozessführung als Ab- oder Außenluft und nach der Erhitzung als Desorptionsluft bezeichnet. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS 8 162

9 Kurzdarstellung Abbildung 3: Schema einer Anlage zur Sorptionsgestützten Klimatisierung (aus [Bongs 2013]) Warme und feuchte Sorptionsluft durchströmt das Sorptionsrad (1-2). Wasserdampf wird an der Oberfläche des Sorptionsmaterials adsorbiert und die Luft daher getrocknet. Durch die Adsorption wird Wärme frei. Daher tritt die Sorptionsluft trockener und wärmer aus dem Sorptionsrad aus. In einem zweiten Schritt durchströmt die Sorptionsluft das Wärmeübertragerrad. Dieses wurde zuvor auf der Desorptionsseite mit Abluft gekühlt, deren Temperatur durch Verdunstungskühlung abgesenkt wurde (5-6). Durch Abgabe von Wärme an die Matrix des Wärmeübertragerrads wird die Sorptionsluft gekühlt (2-3). Im Idealfall verändert sich die Feuchte der Sorptionsluft bei Durchströmen des Wärmeübertragerrads nicht. Eine weitere Temperaturabsenkung kann durch eine direkte Verdunstungskühlung der trockenen und schon vorgekühlten Sorptionsluft erreicht werden (3-4). Diese wird dann dem Gebäude als Zuluft zugeführt. Auf der Desorptionsseite wird die Temperatur der Abluft zunächst durch direkte Verdunstungskühlung abgesenkt (5-6). Diese gekühlte Abluft nimmt Wärme von der Matrix des Wärmeübertragerrades auf. Daher erhöht sich die Temperatur der Abluft im Wärmeübertragerrad (6-7) und ein Teil der Adsorptionswärme kann zurückgewonnen werden. Durch die Wärmequelle, hier als Solarkollektor dargestellt, wird der Abluft weitere Wärme zugeführt (7-8). Die Bezeichnung Desorptionsluft ist nach Erhitzung durch die Wärmequelle zutreffend. Die Desorptionsluft tritt typischerweise mit Temperaturen zwischen 50 und 85 C in das Sorptionsrad ein. Das Sorptionsmaterial wird durch die heiße Luft regeneriert und ist bei Drehung in den Sorptionsluftstrom wieder zur Lufttrocknung einsetzbar. Im Sorptionsrad wird durch die Regeneration die Feuchte der Desorptionsluft erhöht während ihre Temperatur abnimmt. Die Desorptionsluft wird als Fortluft der Umgebung zugeführt. SGK-Anlagen sind derzeit für die Anwendung mit Volumenströmen ab 3000 m 3 /h kommerziell erhältlich. Die Entwicklung von Sorptionsrotoren für kleinere Volumenströme und für den Einsatz in einem reinen Zuluftsystem ist Gegenstand aktueller Forschung [White et al. 2011]. Der SGK-Prozess besitzt aufgrund der Anwendung von Rotoren die im Folgenden aufgeführten Nachteile [Motta et al. 2005]. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS 9 162

10 Das Freiwerden der Adsorptionswärme im Sorptionsrad führt zu einer thermischen Hemmung der Adsorption und damit zu einer Verringerung der Entfeuchtungsleistung. Da diese Wärme nur an die Sorptionsluft abgegeben werden kann, erhöht sich deren Temperatur. Im Weiteren wird durch die Drehung des heißen Sorptionsrades in den Sorptionsluftstrom gespeicherte Wärme übertragen und bewirkt eine zusätzliche Lufterwärmung. Die Drehbewegung des Wärmeübertragerrades führt zum Übertrag von in der Matrix des Rotors befindlicher gesättigter Abluft auf die Sorptionsluftseite. Daher steigt der Feuchtegehalt der Sorptionsluft nach ihrer vorangegangenen Entfeuchtung wieder und mindert die erreichbare Temperaturverringerung im nachfolgenden direkten Verdunstungskühlungsprozess [Finocchiaro et al. 2012]. Durch die zwei rotierenden Bauteile können auch unerwünschte Gerüche und Kontaminierungen aus der Abluft in die Zuluft übertragen werden. Bei kleinen Systemen kommt es weiter zu einer verhältnismäßigen Zunahme des Einflusses von Leckverlusten. Um diese Nachteile der SGK- Prozessführung zu umgehen, wurde das Konzept für ein neuartiges Lüftungsgerät (ECOS - Evaporatively COoled Sorptive Heat Exchanger) entwickelt, das Gegenstand dieser Arbeit ist. Kurzdarstellung Neuartiges Lüftungskonzept ECOS Die Arbeiten im Teilprojekt 2 basieren auf dem Europäischen Patent EP für ein neuartiges sorptives Verfahren der Luftentfeuchtung und -klimatisierung [Löffler und Henning 2007]. Das neuartige Lüftungsgerät soll auf sorptiver Basis eine hohe Luftentfeuchtung bei gleichzeitiger Temperaturabsenkung ermöglichen. Als Einsatzbereich ist die Versorgung von Wohngebäuden oder kleineren Büros mit Luftvolumenströmen in der Größenordnung von 400 m 3 /h vorgesehen. Die Prozesse der und der indirekten Verdunstungskühlung werden in einer Komponente einem sorptiv beschichteten Luft-Luft-Wärmeübertrager zusammengefasst. Abbildung 4 stellt die drei Betriebszustände dar, die der Sorptionswärmeübertrager zyklisch durchläuft. Zuluftseitig sind die Wände des Plattenwärmeübertragers mit einer Adsorbensbeschichtung versehen. Durchströmt die zu konditionierende Sorptionsluft diese sorptiv beschichteten Kanäle des Wärmeübertragers, so wird Wasserdampf adsorbiert und die Luft daher entfeuchtet. Durch die Adsorption wird Wärme frei. Die Oberflächen der Wärmeübertragerkanäle stellen einen thermischen Kontakt zwischen der Sorptionsseite (Zuluftseite) und der Kühlseite (Abluftseite) des Wärmeübertragers her. Auf der Kühlseite wird die Kühlluft (meist Abluft) kontinuierlich befeuchtet, um durch Verdunstung von Wasser im Inneren des Wärmeübertragers die im Adsorbens freiwerdende Wärme abzuführen. Dies führt zu einer Kühlung der Adsorbensschicht. Durch die Adsorbenskühlung wird einer thermischen Hemmung der Adsorption entgegengewirkt. Das Sorptionsmaterial kann bei niedrigerer Temperatur höhere Adsorbensbeladungen erreichen und daher mehr Wasser adsorbieren als bei höheren Temperaturen. Die Beladungska- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

11 pazität des Sorptionsmaterials wird besser ausgenutzt und die erzielte Entfeuchtungsleistung erhöht. Wird mehr Wasser kühlseitig verdunstet als sorptionsseitig adsorbiert, so wird eine zusätzliche Temperaturabsenkung der Sorptionsluft möglich. Diese kann daher simultan entfeuchtet und gekühlt werden. Aufgrund der Bauweise als Platten- Wärmeübertrager sind Zuluft- und Abluftstrom konstruktiv vollständig getrennt. Leckverluste zwischen diesen Strömen können daher nicht auftreten. Kurzdarstellung Abbildung 4: Betriebsweise des neuartigen Sorptionswärmeübertragers in den Betriebsphasen Adsorption (Zuluftkonditionierung), Desorption und Zwischenkühlung (aus [Bongs 2013]) Zuluftseitig sind die Wände des Plattenwärmeübertragers mit einer Adsorbensbeschichtung versehen. Durchströmt die zu konditionierende Sorptionsluft diese sorptiv beschichteten Kanäle des Wärmeübertragers, so wird Wasserdampf adsorbiert und die Luft daher entfeuchtet. Durch die Adsorption wird Wärme frei. Die Oberflächen der Wärmeübertragerkanäle stellen einen thermischen Kontakt zwischen der Sorptionsseite Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

12 (Zuluftseite) und der Kühlseite (Abluftseite) des Wärmeübertragers her. Auf der Kühlseite wird die Kühlluft (meist Abluft) kontinuierlich befeuchtet, um durch Verdunstung von Wasser im Inneren des Wärmeübertragers die im Adsorbens freiwerdende Wärme abzuführen. Dies führt zu einer Kühlung der Adsorbensschicht. Durch die Adsorbenskühlung wird einer thermischen Hemmung der Adsorption entgegengewirkt. Das Sorptionsmaterial kann bei niedrigerer Temperatur höhere Adsorbensbeladungen erreichen und daher mehr Wasser adsorbieren als bei höheren Temperaturen. Die Beladungskapazität des Sorptionsmaterials wird besser ausgenutzt und die erzielte Entfeuchtungsleistung erhöht. Wird mehr Wasser kühlseitig verdunstet als sorptionsseitig adsorbiert, so wird eine zusätzliche Temperaturabsenkung der Sorptionsluft möglich. Diese kann daher simultan entfeuchtet und gekühlt werden. Aufgrund der Bauweise als Platten- Wärmeübertrager sind Zuluft- und Abluftstrom konstruktiv vollständig getrennt. Leckverluste zwischen diesen Strömen können daher nicht auftreten. Kurzdarstellung Mit fortschreitender Adsorption nähert sich das Adsorbens der Sättigung, in der kein Wasserdampf mehr aufgenommen werden kann. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird auf die Desorption umgeschaltet. Das Adsorbens wird mit heißer Desorptionsluft regeneriert. Der frei werdende Wasserdampf wird durch die Desorptionsluft aufgenommen und abgeführt. Während der Desorptionsphase strömt keine Luft durch die Kühlseite des Wärmeübertragers. Am Ende dieser Desorptionsphase ist der Wärmeübertrager sehr warm. Es folgt eine Zwischenkühlphase, die der Kühlung des Wärmeübertragers und des Sorptionsmaterials dient. Dies ist notwendig, um einer erhöhten Sorptionslufttemperatur zu Beginn der folgenden Adsorptionsphase vorzubeugen. Zur Kühlung wird Wasser in die Kühlluft eingesprüht. Dieses verdunstet und führt daher zur Abkühlung des Wärmeübertragers und des Sorptionsmaterials. Während der Zwischenkühlung wird die Sorptionsseite nicht durchströmt, damit das Sorptionsmaterial zu Beginn der wieder folgenden Adsorptionsphase in einem Zustand möglichst niedriger Beladung bereitsteht. Um eine kontinuierliche Bereitstellung von trockener und kühler Zuluft zu ermöglichen, werden zwei alternierend arbeitende Sorptionswärmeübertrager in einem Lüftungsgerät benötigt (vgl. Abschnitt 3.1) Abgrenzung zu früheren Arbeiten zu gekühlten offenen Sorptionsprozessen Sorptiv beschichtete, gekühlte Luft-Luft-Wärmeübertrager in Kreuzstrombauweise wurden zum ersten Mal in den frühen 1980er Jahren am Illinois Institute of Technology (IIT) in Chicago untersucht. Die Kühlung der Sorptionsseite der Wärmeübertrager erfolgte hier über eine reine Luftkühlung. Tabelle 1 gibt einen Überblick über eine Auswahl relevanter Veröffentlichungen. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

13 Tabelle 1: Übersicht von Arbeiten zu luftgekühlten Sorptionswärmeübertragern Publikation Überblick [Roy und Gidaspow, 1972] Dynamische Modellierung gekühlter Sorptionsprozess, Mathematische Lösung über Greensche Matrix [Roy und Gidaspow, 1974] Modellierung: adiabate, gekühlte und isotherme Adsorption [Mei, 1979] Experiment: erster kleiner Prototyp A [Mei und Lavan, 1983] Modellierung: LDF-Modell, Gleich- und Gegenstrom, Validierung der Feuchteverläufe von Prototyp A [Mathiprakasam, 1979] Modellierung offener Sorptionssysteme, Annahme linearer Feuchteverteilung im Adsorbens [Worek, 1980] Experiment: Prototyp B im größeren Maßstab Modellierung: Anwendung Modell von Mei [1979] [Monnier, 1981] Experiment: mit Solarluftkollektoren betriebenes Lüftungssystem mit 2 gekühlten Sorptionswärmeübertragern, Exergieanalyse des Systems [San, 1985] Entropieerzeugung im Kanal mit Sorptionsprozess Exergieanalyse offener Sorptionsprozesse [Dini und Worek, 1986] Gleichgewichtsmessungen der Silikagel- Teflon-Matrix Simulation mit Modell von Mathiprakasam: Einfluss des Sorptionsmaterials auf den gekühlten Sorptionsprozess [Majumdar, 1986], [Majumdar und Worek, 1989a] [Majumdar und Worek, 1989b] Detailliertes Diffusionsmodell Validierung an isothermer und adiabater Adsorption im einzelnen Kanal, Schichtdickenvariation Anwendung Diffusionsmodell zur Komponentensimulation Kurzdarstellung Die Idee eines gekühlten offenen Sorptionsprozesses wurde zunächst von Roy und Gidaspow [1972, 1974] beschrieben. Ein erstes physikalisch-mathematisches Modell eines gekühlten Sorptionsprozesses wurde angewandt, um den adiabaten mit dem gekühlten und dem isothermen Sorptionsprozess zu vergleichen. Schwerpunkt der Arbeiten lag auf der mathematischen Lösung des gekoppelten Gleichungssystems. Aufgrund der Entwicklung einer Silikagel-Teflon-Matrix, welche die Aufbringung des Silikagels auf den Wänden eines Plattenwärmeübertragers ermöglichte, wurde anschließend das Konzept eines gekühlten Kreuzstromwärmeübertragers verfolgt. Das Herstellungsverfahren und die Zusammensetzung dieser Silikagel-Teflon-Matrix wurden patentiert [Gidaspow et al. 1982]. Promotionsarbeiten mit Simulationsanteil wurden von Mei [1979] und Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

14 Mathiprakasam [1979] angefertigt. Die Arbeiten von Worek [1980] und Monnier [1981] haben dagegen einen experimentellen Schwerpunkt. Worek [1980] arbeitete zur experimentellen Charakterisierung eines sorptiv beschichteten Kreuzstrom- Wärmeübertragers in anwendungsrelevanter Größe. Darauf aufbauend untersuchte Monnier [1981] ein solar gestütztes Lüftungssystem unter Anwendung zweier alternierend betriebener Sorptionswärmeübertrager. Kurzdarstellung Eine thermodynamische Analyse des gekühlten Sorptionsprozesses wurde anhand des Ansatzes der äquivalenten Temperaturen sowie anhand einer Exergieanalyse von Monnier [1981] durchgeführt. Eine weitere Arbeit, die sich mit der Exergieanalyse von offenen Sorptionssystemen auseinandersetzt - darunter auch mit einem gekühlten Sorptionsprozess - wurde von San [1985] geschrieben. Diese Arbeiten bildeten eine gute Grundlage für weiterführende Forschung. In den früheren Arbeiten wurde nur eine reine Luftkühlung des Sorptionsprozesses untersucht (ebenfalls [Weixing et al. 2008]). Konzeptionell über diese Untersuchungen hinausgehend ist die im ECOS-Konzept vorgesehene Verdunstungskühlung in den Kühlkanälen des Sorptionswärmeübertragers. Es tritt also zusätzlich zum Stoffübergang der Adsorption der Vorgang der Verdunstungskühlung im Sorptionswärmeübertrager auf. Während in den vorhergehenden Arbeiten keine Absenkung der Lufttemperatur unter die Eintrittstemperatur erreicht werden konnte, ist die simultane Entfeuchtung und Abkühlung der Sorptionsluft im Wärmeübertrager die Grundidee des ECOS-Prozesses. Die in den Arbeiten experimentell ermittelten Sensitivitäten der erreichten Leistung des luftgekühlten Sorptionsprozesses (Entfeuchtung, Enthalpieabsenkung) auf die Desorptionstemperatur und -feuchte, auf die Sorptionslufttemperatur und den Massenstrom der Sorptionsluft entsprechen qualitativ den auch von SGK-Anlagen bekannten Zusammenhängen. Spezifischer für den gekühlten Sorptionsprozess sind die Betrachtungen des Effektes der Kühlung des Adsorptionsprozesses und der Zyklenzeiten. Der Vergleich zwischen der gekühlten und ungekühlten Adsorption gilt in den früheren Arbeiten für den Prozess ohne Verdunstung in den Kühlkanälen. Es wurde erwartet, dass die im Rahmen des geförderten Forschungsvorhabens umgesetzte Verdunstung in den Kühlkanälen zu einer noch stärker ausgeprägten Steigerung der Entfeuchtung und Kühlleistung führt als in den luftgekühlten Prozessen der früheren Arbeiten realisiert wurden. Der Vorteil des verdunstungsgekühlten ECOS-Prozesses im Vergleich zum luftgekühlten Prozess wurde daher untersucht und ist in Abschnitt dieses Berichtes dargestellt. Eine weitere Veröffentlichung zeigt die Vorteilhaftigkeit des ECOS-Prozesses über den direkten Vergleich anhand der validierten Modells des ECOS-Sorptionswärmeübertragers [Bongs et al. 2012]. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

15 1.4 Zusammenarbeit mit anderen Stellen Kurzdarstellung Im Teilprojekt 1 bestand eine teilweise intensive Zusammenarbeit und ein Wissensaustausch mit den an der IEA SHC Task 38 beteiligten Institutionen und Firmen. Insbesondere durch die halbjährlich stattfindenden Expert-Meetings wurde die Zusammenarbeit aktiv gehalten. In Teilprojekt 2 erfolgte zu Projektbeginn eine Zusammenarbeit mit der Vaillant GmbH und der Klingenburg GmbH. Nach dem nacheinander folgenden Ausstieg der beiden ursprünglichen Partner und dem Einstieg der Robert Bosch GmbH (Standort Schwieberdingen) war es möglich, das Projekt erfolgreich weiterzuführen. Über die gesamte Projektlaufzeit wurden regelmäßige Projekttreffen durchgeführt, bei denen sowohl der aktuelle Projektfortschritt vorgestellt als auch die weiteren Schritte und das gemeinsame Vorgehen abgesprochen und geplant wurden. Eine besonders intensive Zusammenarbeit bestand mit der Robert Bosch GmbH auch deshalb, da am Teststand von Bosch erstmals das ECOS-Prinzip mit zwei Wärmeübertragern umgesetzt wurde. Die sorptiv beschichteten Wärmeübertrager für den Teststand konnten durch die Zusammenarbeit mit der SorTech AG in Form eines Auftrages angefertigt werden. Ein weiterer Kontakt für die Anfertigung sorptiv beschichteter Wärmeübertrager wurde bereits frühzeitig mit der Firma Mitsubishi Plastics aufgenommen, was im Laufe des Projektes zu einer Lieferung beschichteter Blechfolien und damit zum Aufbau eines Prototyps führte. Einen wesentlichen Anteil am Erfolg des Projektes, insbesondere an Teilprojekt 2, hatte Frau Dr.-Ing. Constanze Bongs, die ihre Doktorarbeit mit dem Thema Experimentelle und mathematisch-numerische Untersuchung von verdunstungsgekühlten, sorptiv beschichteten Wärmeübertragern für die Luftentfeuchtung und kühlung anfertigt. Betreut wurde die Arbeit durch Prof. Dr.-Ing. Felix Ziegler von der Technischen Universität Berlin. Weiterhin soll an dieser Stelle sämtlichen Diplomanden/innen, Bacheloranden/innen, Masteranden/innen sowie Praktikanten/innen, die bedeutende Beiträge im Rahmen ihrer Arbeiten für die Realisierung der Projektziele geleistet haben, gedankt werden. Dies waren, in der Reihenfolge der durchgeführten Arbeiten: Herr Peter Villain, Herr Jean Himmelspach, Herr Dipl.-Ing. Julian Jentjens, Herr Dipl.-Ing. Patrik Jübermann, Herr Dipl.-Ing. Sebastian Paczkowski, Herr Christian Wagner, Herr Ferdinand Pfender, Herr Dipl.-Ing. Yudhi Lukito, Herr Andre Ihlenfeld, Herr Daniel Krause und Herr Philipp Reichert. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

16 2 Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air- Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" 2.1 Einführung In vielen Regionen der Welt ist die Raumklimatisierung verantwortlich für einen wesentlichen Anteil am Elektroenergieverbrauch von Gebäuden. Elektrisch angetriebene Kältemaschinen führen teilweise zu hohen Belastungen der Elektroenergienetze, obwohl diese Systeme bereits einen relativ hohen Standard bezüglich ihres Verbrauches aufweisen. Zunehmend erweist sich dies als Problematik in Regionen mit Klimaten, die von Kühlung dominiert sind. Außerdem nutzen konventionelle Klimatisierungssysteme Kältemittel, die einen erheblichen Treibhauseffekt aufweisen. Die Task 38 arbeitete an umweltfreundlichen Lösungen für Klimatisierungen von Gebäuden durch die Nutzung von solar thermischer Energie als Antriebswärme für thermisch getriebene Kälteprozesse. 2.2 Ziele der IEA SHC Task 38 Das Hauptziel der SHC Task 38 Solar Air-Conditioning and Refrigeration war die Umsetzung von Maßnahmen für eine beschleunigte Markteinführung von solarer Klimatisierung und Kühlung mit einem Schwerpunkt auf verbesserten Komponenten und Anlagenkonzepten. Die Markteinführung wurde unterstützt durch: Aktivitäten in der Entwicklung und Prüfung von Kühlsystemen für den Wohnund kleinen gewerblichen Bereich. Beitrag zur Entwicklung von vorgefertigten (pre-engineered) Anlagenkonzepten für kleine und mittlere Systeme und die Entwicklung von optimierten und standardisierten Regelungen für maßgeschneiderte Systeme. Berichte über die Erfahrungen mit neuen Pilot-und Demonstrationsanlagen und Entwicklung einer generalisierten Systembewertung und Verfahren zur Leistungsbeurteilung. Bereitstellung von Begleitpapieren zur Unterstützung von Planung, Installation und Inbetriebnahme von Anlagen zur solaren Kühlung. Analyse von neuen Konzepten und Technologien mit besonderem Schwerpunkt auf thermodynamischen Prinzipien und einem bibliografischen Review. Vergleich der verfügbaren Simulationswerkzeuge und Beurteilung ihrer Anwendbarkeit für Planung und Systemanalyse. Markt-Transfer- und Markt-Stimulations- Aktivitäten, wie Informations- Schreiben, Workshops und Schulungsunterlagen sowie eine komplett überarbeitete Neuauflage des Handbuchs Solare Kühlung für Planer. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

17 2.3 Umfang der IEA SHC Task 38 Die Task 38 umfasste die Technologien zur Produktion von Kaltwasser oder klimatisierter Luft unter Nutzung von solarer Wärme. Damit beginnt die Betrachtung des Themas mit der Sonnenstrahlung, die den Kollektor erreicht, und endet mit dem Kaltwasserund / oder der klimatisierten Luft, die an die jeweilige Anwendung übertragen wird. Das Verteilsystem, das Gebäude und die Interaktion zwischen beiden wurde zwar betrachtet, waren aber nicht Hauptthema der Task 38. Besonderes Augenmerk lag auf kleinen Systemen, bei denen häufig der Solarkollektor als einzige Wärmequelle für die Versorgung des gesamten Systems, einschließlich des Gebäudes, verantwortlich ist. Es wurde versucht, die Gesamtleistung zu optimieren. Innerhalb der Task 38 wurde die solare Kühlung auch für andere Anwendungen neben den Komfort-Klimaanlagen betrachtet, wie Anwendungen in industriellen Prozessen sowie z. B. auch Konservierung von Lebensmitteln. Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" 2.4 Struktur und Vorgehensweise Die Arbeit in der Task war organisiert in vier Subtasks: Subtask A: Pre-engineered systems for residential and small commercial applications (Leitung: Österreich; Subtask leader: Dagmar Jähnig, AEE INTEC, Gleisdorf) Das Ziel von Subtask A waren unterstützende Maßnahmen für die Entwicklung von kleinen und mittleren Systemen mit einer Kühlleistung bis zu ca. 20 kw und einem hohen Grad an Vorfertigung (Pre-Engineering). Das Ziel war die Entwicklung von Systemen, die bereits einen entsprechenden Vorfertigungsgrad aufweisen, was bedeutet, dass kein zusätzlicher Aufwand für die Planung notwendig ist und sie direkt vom Installateur an die raumseitigen Komponenten angeschlossen werden können. Subtask B: Custom-made systems for large non-residential buildings and industrial applications (Leitung: Italien; Subtask Leader: Wolfram Sparber, EURAC, Bolzano) Das Ziel von Subtask B war es, für eine breitere Umsetzung von mittleren und großen Anlagen, mit Kühlleistungen größer als 20 kw, die wichtigsten Technologieverbundenen Hindernisse zu überwinden. Systeme dieser Größenordnung bedürfen immer einer individuellen Planung für den jeweiligen Anwendungsfall. Deshalb beinhaltet die Ausschreibung typischerweise Anfragen für Einzelkomponenten und nicht nur das System als Ganzes. Die Zielmärkte sind große Luft-und Kältetechnik für Endnutzer (große Büros und andere Nichtwohngebäude, Hotels, Industrie etc.). Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

18 Subtask C: Modeling and fundamental analysis (Leitung: Frankreich; Subtask Leader: Etienne Wurtz, INES, Chambery) Die wichtigsten Ziele von Subtask C waren die Bewertung neuer und weiterentwickelter Komponenten und Konzepte für die solare Kühlung, die sich noch in einem FuE- Zustand befinden und daher noch für die Installation und Markteinführung bereit stehen. Außerdem erfolgte die Evaluierung von neuen und bereits vorhandenen Komponenten-Modellen und Simulationswerkzeugen für verschiedene Arten solarer Kühlung sowie die thermodynamische Analyse von solaren Kühltechnologien. Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" Subtask D: Market transfer activities (Leitung: Italien; Subtask Leader: Mario Motta, Politecnic di Milano) Die wichtigsten Ziele von Subtask D waren die Identifikation von hauptsächlich nichttechnischen Hindernisse für eine breite Anwendung der solaren Kühlung, die Umsetzung von gezielten Werbemaßnahmen basierend auf den gemeinsamen Arbeitsergebnissen, die Zusammenstellung von Unterlagen für die Verbreitung sowie die Umsetzung des Wissenstransfers. Weiter sollten Unterstützungsinstrumente entwickelt und politischen Entscheidungsträgern bereitgestellt werden. Eines der wichtigsten Ergebnisse der gesamten Task 38 war eine völlig überarbeitete Neuauflage des Planungshandbuches für Solare Kühlung. Laufzeit Die Laufzeit der Task 38 war von September 2006 bis Dezember Teilnehmer Insgesamt 49 Organisationen (16 Forschungsinstitute, 20 Universitäten und 13 Unternehmen) aus den folgenden 12 Ländern haben sich an der Task beteiligt (Prozentsatz der Teilnehmer in Klammern): Australien 2% Italien 14% Österreich 12% Malta 2% Canada 6% Mexico 2% Dänemark 8% Portugal 2% Frankreich 8% Spanien 21% Deutschland 19% Schweiz 4% Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

19 Alle Teilnehmer, die in der Task über ihre gesamte Dauer aktiv waren, haben diese mit Arbeitsbeiträgen unterstützt und ihren jeweiligen Beitrag geleistet. Die Anzahl von 13 teilnehmenden Unternehmen zeigte das Interesse der industriellen Partner an der Task-Arbeit. Mit ihrer Beteiligung wurde sichergestellt, dass die FuE- Arbeiten in der Task auch auf die Bedürfnisse des Marktes abgestimmt waren. Die teilnehmenden Unternehmen stammen aus den Ländern Österreich, Dänemark, Italien, Frankreich, Spanien und Kanada. Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" Verbindung mit der Industrie Eine Reihe der Task-Experten repräsentierten Unternehmen, die entweder aktiv in der Planung und Installation von solarthermischen Anlagen tätig sind oder Hersteller von Schlüsselkomponenten sind. Darüber hinaus sind viele der beteiligten Forschungsinstitute eng mit Unternehmen verbunden, vor allem Start-up-Unternehmen, die neue, kleine thermisch angetriebene Kältemaschinen (Kaltwassersätze, offene Systeme) entwickeln oder auch Anbieter von solaren Komponenten und Systemen sind. Die Task hat auch beigetragen zu Workshops für Fachleute im Bereich Konstruktion und Einbau von Klimaanlagen sowie Solaranlagen für Gebäude. In Verbindung mit den Expert Meetings wurden insgesamt sechs Workshops veranstaltet, die speziell an Teilnehmer aus der Industrie gerichtet waren, wie Bauplaner, Architekten und andere Entscheidungsträger aus der Baubranche. An der Organisation dieser Workshops waren immer die lokalen Partner beteiligt, sowohl in der Vorbereitung als auch mit der Einladung der lokalen und nationalen Akteure. Die Präsentationen in den Workshops wurden von Task 38 Experten zum Thema solare Kühlung und Anwendungen gehalten, aber auch von lokalen Vertretern, um lokale oder nationale Besonderheiten vorzustellen. 2.6 Task Meetings Für die Vorbereitung der Task wurden zwei Task Definition Workshops durchgeführt: 1. Freiburg, Deutschland Oktober Milano, Italien März 2006 Über die gesamte Laufzeit der Task wurden insgesamt 9 Expert Meetings durchgeführt. Diese sind in Tabelle 2 zusammengefasst Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

20 Tabelle 2: Übersicht der Task 38 Expert Meetings Meeting Datum Ort Anzahl der Teilnehmer 1st Task Definition Workshop Oktober 2005 Freiburg, Deutschland 25 2nd Task Definition Workshop März 2006 Milano, Italien 34 1st Expert Meeting Oktober 2006 Bolzano, Italien 60 2nd Expert Meeting April 2007 Aix-les-Bains, Frankreich 63 3rd Expert Meeting Oktober 2007 Barcelona, Spanien 57 4th Expert Meeting April 2008 Wien, Österreich 62 5th Expert Meeting Oktober 2008 Lissabon, Portugal 71 6th Expert Meeting April 2009 Freiburg, Deutschland 69 7th Expert Meeting September 2009 Palermo, Italien 67 8th Expert Meeting April 2010 Aarhus, Dänemark 39* 9th Expert Meeting September 2010 Graz, Österreich 61 *Reiseprobleme auf Grund des Vulkanausbruchs (Eyjafjallajökull) in Island Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" Die Meetings dauerten in der Regel zwei Tage. Während dieser berichteten die Teilnehmer über die Fortschritte ihrer Arbeit im Zusammenhang mit der Task, stellten Ergebnisse vor, diskutierten diese und unternahmen die Planung der weiteren Arbeiten. Aufgrund des hohen Interesses an der Task-Arbeit und der hohen Zahl der teilnehmenden Experten in den Meetings stellte das Task-Management die größte Herausforderung dar, um eine ordnungsgemäße Zusammenarbeit zwischen den Teilnehmern aufgrund des starken Überlapps der Interessen und möglichen Beiträge sicherzustellen, sowie die effiziente Organisation der Task-Meetings zu gewährleisten. Wichtig war es auch, eine offene Diskussion zu ermöglichen und zu entsprechenden Schlussfolgerungen zu kommen. Daher wurden die meisten Meetings so organisiert, dass ein Teil in Plenarsitzungen stattfand und ein weiterer Teil in parallelen Sitzungen der Arbeitsgruppen durchgeführt wurde. Arbeitsgruppentreffen fanden typischerweise mit 4 bis 15 teilnehmenden Experten statt. In den parallelen Sitzungen herrschten angemessene Arbeitsbedingungen, um die Fortschritte und Ergebnisse der einzelnen Aktivitäten im Detail zu besprechen. Die Plenarsitzungen mit Vorträgen und Diskussionen der für alle Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

21 interessanten Ergebnisse wurden von allen Teilnehmern besucht. Mit dieser Struktur und Organisation der Task-Meetings wurde sichergestellt, dass alle Akteure in der Task beteiligt waren aber auch genügend Möglichkeit blieb, um einen Beitrag auf ihrem jeweiligen Interessengebiet zu leisten. Insgesamt stellte sich dieses Konzept der Tagungs-Organisation als sehr wirksam und angemessen für Task-Meetings mit mehr als 50 teilnehmenden Experten heraus. Die folgende Tabelle zeigt die typische Organisation eines Task-Meetings. Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" Erster Tag des Expert Meetings Morgen Session 1 Einführung durch den den Operating Agent und kurzer Überblick des Subtask Status durch den jeweiligen Subtask Leader Session 2 Workshop mit je 15 min Präsentationen durch die Task Teilnehmer: Fortschritt und Ergebnisse der Task Aktivitäten aus allen Subtasks Nachmittag Session 3 Workshop mit je 15 min Präsentationen durch die Task Teilnehmer: Fortschritt und Ergebnisse der Task Aktivitäten aus allen Subtasks Session 4 Working group Working group Working group Working group Zweiter Tag des Expert Meetings Morgen Session 5 Working group Working group Working group Working group Session 6 Working group Working group Working group Working group Nachmittag Session 7 Kurzbericht der Ergebnisse aus den Arbeitsgruppen Session 8 Zusammenfassung und Planung der weiteren Arbeit für jede Subtask durch die Subtask leader und Zusammenfassung des Meetings durch den Operating Agent Zusätzlich zu den Expert-Meetings wurde es bei einigen Meetings ermöglicht, eine installierte Anlage oder ein Labor zu besichtigen. Typischerweise wurden die Expert- Meetings zeitlich entweder mit einer internationalen Konferenz oder einem lokalen Workshop in der Nähe der Meetings abgestimmt und damit eine Kombination ermöglicht. Eine Übersicht über die Workshops und Konferenzen wird in Abschnitt 2.9. gegeben. 2.7 Bewältigte Aufgaben in der Task Das Hauptziel der Task 38 bestand in der Umsetzung von Maßnahmen für eine beschleunigte Markteinführung von solaren Klimatisierungs- und Kühlsystemen mit einem Schwerpunkt auf verbesserten Komponenten und Anlagenkonzepten. Die starke Betei- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

22 ligung an der Task selbst und die Zusammenarbeit im Rahmen der vielen Monitoring- Projekte zeigten das hohe Interesse von wichtigen Beteiligten, wie innovativen Klimaanlagen-Herstellern, Forschungsinstituten, Ingenieuren, Planern sowie Bauplanern. Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" Eine der Aktivitäten der Task war die Durchführung einer Umfrage über bestehende Anlagen zur solaren Kühlung. Viele dieser Systeme waren auch Bestandteil in den Monitoring-Kampagnen von Subtask A und B. Die Umfrage lieferte eine Dokumentation von fast 280 solaren Kühlanlagen in Europa und 32 Anlagen in anderen Kontinenten im Jahr Es wurde festgestellt, dass zu diesem Zeitpunkt weltweit etwa 1000 Anlagen zur solaren Kühlung installiert waren. Solarthermisch betriebene Heiz-und Kühlsysteme haben einen Status der frühen Markteinführung erreicht und können wirtschaftliche Lösungen unter bestimmten Randbedingungen liefern. Die in TASK 38 gemachten Erfahrungen tragen zur erfolgreichen Anlagenplanung und Betrieb bei. Im Rahmen der Monitoring-Aktivitäten von Task 38 wurde ein einheitliches Monitoring- Verfahren entwickelt, welches für solar angetriebene Kältemaschinen (Solar Driven Chiller - SDCH) sowie solarthermische Entfeuchtungs- und Kühlsysteme (SDEC) anwendbar ist. Es ermöglicht eine strukturierte Sammlung von Monitoring-Daten und definiert eine gemeinsame Auswertungsmethodik der Gesamtenergieeffizienz von solar unterstützten Heiz- und Kühlsystemen. Diese Vorgehensweise gewährleistet die Vergleichbarkeit der Ergebnisse und wurde für das Monitoring von 14 kleinen (<20 kw Kälteleistung) und 12 großen Anlagen angewendet. Im Folgenden erfolgt ein kurzer Bericht über die Leistungen der einzelnen Aktivitäten (Work Packages) innerhalb der Subtasks A bis D. Subtask A: Pre-engineered systems for residential and small commercial applications WP A1: Marktüberblick Als Grundlage für die Arbeit in der gesamten Task wurde eine Marktübersicht erarbeitet. Der daraus resultierende Bericht gibt einen umfassenden Überblick über die vorhandenen Komponenten und Weiterentwicklungen für kombinierte Systeme zum Heizen und Kühlen mit Kaltwasser-Systemen. Dieses Dokument enthält die folgenden Themen: thermisch angetriebene Kältemaschinen im kleinen Leistungsbereich, Wärmeabfuhr, Kühlhäuser und Solar-Kombi-Systeme. Um die Informationen interessierten Personen zugänglich zu machen, wird der Abschlussbericht über die SHC Webseite sowie auf der Task 38 Webseite veröffentlicht. WP A2: Generische Systeme Mit den Erfahrungen mit kleinen und mittelgroßen solaren Klimaanlagen aus der Vergangenheit und Gegenwart wurden eine Reihe von Systemdesign-Schemata und Regelund Steuerschemata abgeleitet, um einen günstigen Betrieb des Systems im Hinblick auf eine optimierte Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Hohe Aufmerksamkeit wurde dabei auf die Standardisierung der Systeme und Systemdesigns für die Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

23 Kombination von Heizen und Kühlen gelegt. Die Arbeit beinhaltete auch eine Übersicht über die möglichen Lösungen für die Kälteverteilung innerhalb des Gebäudes. Dies ist ein wichtiges Thema, wenn eine solare Kühlung in ein bestehendes Gebäude integriert werden muss. Im Ergebnis dieses Ansatzes wurde ein Vorschlag für die Definition von generischen Systemen entwickelt, welcher auf den folgenden drei Hauptkomponenten basiert: Subsystem Heißwasser (Antriebsseite), Subsystem Kälte (Kühlseite) und Subsystem Rückkühlung. Dieser Vorschlag ermöglicht einen modularen Weg für die grafische Darstellung von Systemschemata. Neben dem erarbeiteten Bericht, in dem das neue modulare Konzept vorgestellt ist, wurde eine Vorlage für die Erstellung generischer Systeme zur Verfügung gestellt. Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" WP A3: Monitoring Über den Zeitraum der Task 38 wurden breite Monitoring-Aktivitäten einschließlich der Bewertung von Feldtests von kleinen und mittleren solaren Klimaanlagen durchgeführt. Insgesamt 13 Systeme wurden über eine lange Zeit beobachtet, ein zusätzliches System seit Sommer Neben der Darstellung der verschiedenen Anwendungsbereiche und den jeweiligen Randbedingungen wurden die Monitoring-Daten ausgewertet. Ein spezielles "Monitoring Tool" wurde in Task 38 entwickelt. Die Erfahrungen aus dem Betrieb der Anlagen wurden in einem Abschlussbericht, der eine Grundlage für das Monitoring zukünftiger Installationen bietet, zusammengefasst. WP A4: Bewertungsverfahren Die Arbeit an Bewertungsverfahren wurde gemeinsam zwischen Subtask A und B durchgeführt und ist in einer gemeinsamen Monitoring-Vorschrift umgesetzt. WP A5: Installations- und Wartungsleitfaden Die Erfahrungen mit bestehenden Systemen wurden in Richtlinien für die Installation und Wartung für Pre-Engineered Systeme zusammengefasst. Zusätzlich wurde eine Umfrage unter den Endnutzern oder Anlagenbetreibern mit der Sammlung ihrer Erwartungen hinsichtlich der Bedienung, Installation und Wartung durchgeführt. Sie basiert auf den Ergebnissen von 18 Interviews in 6 verschiedenen Ländern und repräsentiert auch 8 verschiedene Arten von Anwendungen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind als Abschlussbericht sowie teilweise als Kapitel im Handbuch enthalten. Subtask B: Subtask B: Custom-made systems for large non-residential buildings and industrial applications WP B1: Marktüberblick Eine Umfrage für große solar unterstützte Kühlanlagen mit einer Kühlleistung > 20 kw wurde basierend auf Informationen aus den teilnehmenden Ländern in Task 38, und soweit wie Informationen weltweit zugänglich waren, durchgeführt. Basierend auf der Übersicht der weltweit installierten solaren Kühlsysteme wurde eine detailliertere Betrachtung der hydraulischen Systeme auf der Grundlage von 20 Systemen durchgeführt. Die wichtigsten Informationen und Ergebnisse sind in Kapitel 11 des Handbuchs Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

24 enthalten. Der Abschlussbericht zu den Großanlagen ist auf der SHC Website zugänglich. Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" WP B2: Auswahl des Systemdesigns und der Steuerung Um Unterstützung für Planer und Installateure zu geben, wurde eine Auswahl von bewährten System-Designs und Regelstrategien einschließlich der hydraulischen Verschaltungen zusammengestellt. Erfahrungen in den verschiedenen Demonstrationsprojekten wurden hierzu verglichen und ausgewertet. Fragen der Regelung wurden auf der Basis der installierten Systeme und Informationen, die durch die Task 38 Teilnehmer geliefert wurden, analysiert und diskutiert. Eine Zusammenfassung der wichtigsten Fragen der Regelung wurde als Ergebnis dieser umfassenden Arbeit abgeleitet. Die Ergebnisse sind als Abschlussbericht verfügbar und wurden zusätzlich teilweise als Unterkapitel im Handbuch zusammengefasst. WP B3: Monitoring von Demonstrationsprojekten und Vorschlag einer Bewertungsstrategie Dieses Arbeitspaket war auf die Beschreibung und Beurteilung ausgewählter bestehender Anlagen und Demonstrationsprojekte mit großen Anlagen der Luft- und Kältetechnik (große Büro-und Nichtwohngebäude, Hotels, Industrie etc.) konzentriert. Hierbei wurden variable Einsatzmöglichkeiten und Randbedingungen betrachtet, weiterhin die Umsetzung experimenteller Charakterisierung und von Monitoring-Aktivitäten an ausgewählten Systemen sowie die Zusammenfassung der Ergebnisse und die Bewertung der Anlagen. Aus der Zusammenarbeit zwischen Subtask A und B wurde ein Vorschlag für ein einheitliches Monitoring-Verfahren erarbeitet. Das Verfahren wurde auf 14 kleine Anlagen (<20 kw Kälteleistung) in Subtask A und 11 Großanlagen in Subtask B angewendet. Das Verfahren umfasst die Leistungsbewertung, den Vergleich der Energieeffizienz von solar betriebenen Anlagen mit konventionellen Systemen und den Vergleich zwischen verschiedenen solar betriebenen Systemen. Daher unterstützt das Verfahren die Identifizierung von Best-Practice-Systemen und definiert auch die Mindestanforderungen an die für ein Monitoring notwendigen Messungen, die für eine zuverlässige Leistungsbewertung erforderlich sind. Die Ergebnisse der Monitoring- Aktivitäten sind in einem Bericht zusammengefasst. WP B4: Checklist-Methode zur Bewertung der Durchführbarkeit von Projekten Basierend auf den Ergebnissen erfolgreicher Projekte, einschließlich der technischen und nicht-technischen Fragen, wurde eine Checkliste für die schnelle Beurteilung der Rentabilität der solaren Kühlung entwickelt. Dieses Software-Tool soll helfen, Planer im Prozess der Evaluierung der Durchführbarkeit von Projekten der solaren Kühlung in einer frühen Projektphase zu unterstützen. Das Tool wurde von der Firma TECSOL SA im Zuge der Task 38 entwickelt und ist auf deren Internetseite ( / Checkliste) verfügbar. Ein Bericht wurde ebenfalls dazu erstellt. Wichtige Informationen zu diesem Verfahren werden auch in der neuen Ausgabe des Handbuchs enthalten sein. Die Checklist-Methode basiert auf einer Reihe von Fragen mit Multiple-Choice- Antworten und umfasst Fragen zu technischen, wirtschaftlichen und organisatorischen Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

25 Punkten. Die Ausarbeitung der Checklist-Methode war durch das Feedback und die Erfahrungen innerhalb der Task 38 möglich. Das Tool berücksichtigt alle wichtigen Aspekte - technische Randbedingungen, finanzielle Aspekte, Fragen in Bezug auf Bauraum und Flächen für die Installation von Solaranlagen, und Fragen der Kenntnis und Interesse der beteiligten Akteure. Als Ergebnis der Checklist-Methode wird ein Hinweis über die Machbarkeit des jeweiligen Projekts gegeben. Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" WP B5: Leitfaden für Installation und Ausschreibung Als Unterstützung für die weitere Planung von solaren Heiz-und Kühlsystemen wurde eine detaillierte Liste der Inbetriebnahme gemäß der verschiedenen Teilsysteme eines solaren Heiz-und Kühlsystems sowie für die verschiedenen Phasen eines Projekts ausgearbeitet. Das Dokument erklärt die Inbetriebnahme und liefert verschiedene weitere Informationen und Links als Unterstützung für Architekten und Planer. Darüber hinaus sind Fragebögen als Unterstützung in der Vorauswahlphase enthalten. Subtask C: Modeling and fundamental analysis WP C1: State of the art Überblick über neue Entwicklungen im Bereich solarer Kühlung In diesem Arbeitspaket wurde ein technischer Überblick über neue Entwicklungen im Bereich solarer Kühlung erstellt. Dies umfasste neue Komponenten, Prozesse und Systeme, die sich für die Nutzung solarthermischer Energie für solare Kühlung und Klimatisierung eignen. Für die folgenden Technologien sind neben den technischen Details auch die Marktsituation sowie der Forschungs- und Entwicklungsstand dargestellt: - Absorption - Adsorption - Flüssigsorptionssysteme - Feststoffsorptionssysteme (DEC) - Thermomechanische Kältemaschinen - Dampfstrahl-Kältemaschinen WP C2: Simulationswerkzeuge Das Ziel in diesem Arbeitspaket war die Betrachtung von Simulationswerkzeugen für die solare Kühlung. Die Arbeit wurde in zwei Teile geteilt: Erstens die Darstellung und Beschreibung der neuen Entwicklungen von Simulationswerkzeugen und zweitens die Analyse der gemeinsamen Simulationswerkzeuge. Die Analyse war einerseits auf ihre Anwendbarkeit für unterschiedliche Layouts fokussiert und auf der anderen Seite war die Vergleichbarkeit der Ergebnisse der Modellierung von besonderem Interesse. Im Ergebnis der Aktivitäten wurden drei Berichte zu folgenden Themen zusammengestellt: - Beschreibung von Simulationswerkzeugen für solare Kühlung neue Entwicklungen von Simulationssoftware sowie Modellen und deren Validierung (Feststoffbasierte Sorption DEC, Absorptionskältemaschinen) - Benchmarks zum Vergleich von Simulationswerkzeugen Absorptionskältemaschinen Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

26 - Benchmarks zum Vergleich von Simulationswerkzeugen Feststoffbasierte Sorption DEC Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" WP C3: Thermodynamische Analyse / Exergieananlyse Ein weiterer wichtiger Bereich war die Exergieanalyse der solaren Kühlung von Systemen, Bauteilen und Prozessen. In diesem Zusammenhang wurde eine Methodik der Exergieanalyse erarbeitet und dokumentiert, die eine vergleichende Bewertung ermöglicht. Der Abschlussbericht umfasst die folgenden Themen: - Exergie solarer Kühlung - Exergieanalyse von DEC-Systemen - Entropieanalyse von DEC-Systemen - Exergieanalyse von zwei Typen von Ammoniak-Wasser Wärmepumpen - Exergieanalyse des ECOS-System basierend auf den Simulationsergebnissen - Grundlegender Artikel zur Exergie der Solarstrahlung - Analyse des zweiten Hauptsatzes bezogen auf Solarkollektoren - Artikel zum Thema, wie die externe Temperatur bei der Exergieanalyse von solaren Kühlungssystemen betrachtet werden sollte WP C4: Leistungsbewertung / Leistungskriterien Die Anwendung der FSC-Methode ( fractional savings method entwickelt in SHC Task 26) zur Berechnung der Einsparungen bei solarer Kühlung wurde in die Monitoring Vorschrift für Subtask A und B implementiert. Ein separates Dokument wurde daher nicht erarbeitet. WP C5: Heat rejection Da die Frage der Rückkühlung von großem Interesse für den ordnungsgemäßen Betrieb von Anlagen zur solaren Kühlung ist, wurden die verschiedenen verfügbaren Technologien, deren Komponenten und der Stromverbrauch analysiert und bewertet. Im Rahmen dieses Arbeitspaketes wurde ein Überblick über bestehende und neue Konzepte zur Rückkühlung ausgearbeitet. Im Abschlussbericht werden folgende Themen betrachtet: - Technologien der Rückkühlung - Beispiele für Komponenten - Elektroenergieverbrauch der Rückkühlung Subtask D: Market transfer activities WP D1: Leistungsbewertung Auf Grund des Überlapps mit den Aktivitäten in Subtask A und B wurde dieses Arbeitspaket nicht separat weiter bearbeitet, sondern in die Monitoring Vorschrift aufgenommen. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

27 WP D2 Certification and standardization schemes Dieses Arbeitspaket wurde aufgrund fehlender Ressourcen aufgegeben. Jedoch wurde ein gemeinsamer Workshop mit Annex 34 "Thermisch angetriebene Wärmepumpen" durchgeführt und es wurde deutlich, dass wichtige Arbeiten über thermisch angetriebene Kältemaschinen zumindest teilweise in Annex 34 bearbeitet werden. Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" WP D3: LCA (Life Cycle Analysis) Die Anwendung der LCA für solare Kühlung wurde in Task 38 zum ersten Mal in einem systematischen und umfassenden Ansatz durchgeführt. Die Aktivitäten umfassten die Definition einer gemeinsamen Methodik zur Analyse des Lebenszyklus von Anlagen zur solaren Kühlung und einer Sammlung von Daten für die wichtigsten Komponenten sowohl der solaren Kühlung als auch der Referenzsysteme. Studien für verschiedene Beispiele und Technologien (DEC, geschlossene Adsorptionskältemaschinen) wurden hierfür durchgeführt. WP D4: Dritte komplette Neuauflage des Solar Cooling Handbook for Planners Eines der wichtigsten Ergebnisse der Task 38 wird die komplett überarbeitete Ausgabe des Planungshandbuchs für Solare Kühlung sein. Das Handbuch ist in zwei Teile gegliedert. Im ersten Teil wird eine allgemeine Einführung in die Komponenten gegeben. Der zweite Teil gibt einen detaillierten Einblick in die verschiedenen Technologien und Erfahrungen von realisierten Installationen. Die Veröffentlichung des Buches bei Springer ist für Juni 2013 erwartet. WP D5: Verbreitung der Ergebnisse Verschiedene Aktivitäten zur Verbreitung der Ergebnisse der Task wurden durchgeführt, speziell um die entsprechenden Gruppen von Entscheidungsträgern zu erreichen. WP D5.1 Policy paper and Solar Cooling Position Paper Mit Hilfe eines externen Beraters (Raffaele Piria, Senior Consultant bei Eclareon, ehemaliger Vizepräsident der ESTIF) wurde ein Konzept für das Strategiepapier "Towards a policy strategy for Solar Assisted Cooling" entwickelt. In diesem Dokument werden die für die Durchsetzung der solaren Kühlung kritischen Punkte formuliert und eine Strategie für einen breiteren Einsatz von solarer Kühlung entworfen. Auf Grundlage der Diskussion des Strategiepapiers wurde mit der Hilfe von Experten innerhalb Task 38 ein Positionspapier zur Solaren Kühlung erstellt. Das Positionspapier enthält eine Beschreibung des Standes der Technik und formuliert Anforderungen in Bezug auf Technologie und Marktanreiz. Das Dokument besteht aus drei Hauptteilen: Die Beschreibung des Status Quo umfasst die Themen der technischen Reife, der Gesamtenergieeffizienz, der Wirtschaftlichkeit und des Marktstatus. Im zweiten Teil werden die technischen Potenziale, die Kosten und Wirtschaftlichkeit sowie die Marktchancen analysiert. Im dritten Teil wird ein Überblick über die verschiedenen für die weitere Verbreitung erforderlichen Maßnahmen gegeben. Dieser Teil umfasst die Themenschwerpunkte Technologie-Entwicklung, Qualitätsverfahren und die Berücksichtigung von Markt und Politik. Rückmeldungen von vielen Experten aus Forschung und Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

28 Entwicklung sowie von Herstellern wurden in das Positionspapier eingearbeitet. Das Solar Cooling Positionspapier wurde vom SHC ExCo genehmigt und ist auf der Website des IEA SHC-Programms veröffentlicht. Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" WP D5.2 Trainingsmaterial Als Unterstützung für Aktivitäten zur Verbreitung von Ergebnissen und Wissen im Bereich Solare Kühlung wurde von Teilnehmern der Task 38 eine vollständige Version von Schulungsunterlagen zusammengestellt. Diese umfassen die Darstellung der Technologien von solar unterstützten Klimatisierungsanlagen. Die Unterlagen wurden in vier Sprachen erstellt und sind auf der internen Task 38 Webseite als Powerpoint-Datei verfügbar. WP D5.3 Nationale Industrieworkshops Mehrere Workshops und Konferenzen wurden während der Laufzeit der Task 38 durchgeführt. Meist waren die Workshops zeitlich an die Expert Meetings gekoppelt, um eine große Anzahl von Beiträgen aus der Task zu ermöglichen. Die Themen der Workshops haben sowohl technische als auch ökonomische Fragen abgedeckt. Darüber hinaus wurde eine Reihe von lokalen Workshops in den jeweiligen Landessprachen veranstaltet. Ziel dieser Workshops war es, Ergebnisse der Task 38 zu verbreiten und die lokale Marktentwicklung/-einführung zu unterstützen. Eine Übersicht über die Aktivitäten zur Verbreitung wird in Abschnitt 2.9 gegeben. WP D5.4 e-newsletter für die Industrie Ein e-newsletter ist in fünf Sprachen (Englisch, Deutsch, Spanisch, Französisch, Italienisch) auf der Webseite verfügbar. 2.8 Ergebnisse der Task 38 Berichte von Subtask A: Report A1: Market Available Components for Systems for Solar Heating and Cooling with a Cooling Capacity < 20 kw Report A2: Collection of selected systems schemes Generic Systems Report A3-B: Monitoring Results Report A5: Installation, Operation and Maintenance Guidelines for Pre-Engineered Systems Berichte von Subtask B Report B1: State of the art on existing solar heating and cooling systems Report B2: Solar Cooling System Design and Control Report B3-A: Monitoring (large scale) Report B3-B: Monitoring Procedure for Solar Cooling Systems - A joint technical report of Subtasks A and B Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

29 Report B4-A: Report B4-B: Report B5: Check-list method for assessment of successful projects available on website of company TECSOL Soft tool package for the fast pre-assessment of successful projects Commissioning guideline Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" Berichte von Subtask C Report C1: State of the art Survey on new solar cooling developments Report C2-A: Description of simulation tools used in solar cooling - New developments in simulation tools and models and their validation (Solid desiccant cooling, Absorption chiller) Report C2-B: Benchmarks for comparison of system simulation tools Absorption chiller simulation comparison Report C2-C: Benchmarks for comparison of system simulation tools Solid desiccant simulation comparison Report C3: Exergy Analysis of Solar Cooling Systems Report C5: Heat rejection Berichte von Subtask D Report D3: Life Cycle Assessment of Solar Cooling Systems Solar cooling position paper New Handbook for Planners (Erscheinungsdatum Juni 2013 geplant) Tabelle 3: Überblick der Berichte der Task 38 Bericht- Nr. Thema des Berichts Öffentlich oder beschränkter Zugang (PUblic, REstricted)* A1 Market overview (small scale) PU A2 Generic Systems PU A3-b Monitoring (small scale) PU A5 Installation and maintenance guidelines PU B1 Market overview (large scale) PU B2 System design and control RE B3-a Monitoring (large scale) RE B3-b Monitoring (large scale) - Report on monitoring PU procedure B4-a Checklist method for assessment of successful PU projects B4-b Fast pre-design technical report RE B5 Commissioning guideline PU C1 Survey on new solar cooling developments PU C2-a Simulation tools PU Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

30 C2-b Absorption chiller simulation PU C2-c Desiccant simulation PU C3 Exergy Analysis PU C5 Heat rejection PU D3 Life cycle analysis PU - Solar Cooling Position Paper PU - New Handbook PU * Public: veröffentlicht auf der IEA-SHC Webseite oder durch Verlag; Restricted: verfügbar nur für Task 38 Teilnehmer auf der internen Task 38 Webseite Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" Ein wesentliches Ergebnis aus der Zusammenarbeit in der Task 38 stellt die komplette Neuauflage des Solar Cooling Handbook dar. Als Erscheinungsdatum wird vom Springer Verlag Juni 2013 angegeben. Abbildung 5: Solar Cooling Handbook im Ergebnis der IEA SHC Task 38 Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

31 2.9 Workshops und Konferenzen In den folgenden Workshops und Konferenzen haben sich Task 38 Teilnehmer mit ihren in der Task 38 erzielten Arbeitsergebnissen. Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" Tabelle 4: Workshops und Konferenzen mit Beteiligung innerhalb der Task 38 Workshop/Konferenz Ort Datum Conference Solar Air-Conditioning and Refrigeration Workshop Solar Air-Conditioning and Refrigeration Workshop Solar Air-Conditioning and Refrigeration Conference Sustainable cooling systems Part 1: Solar cooling EUROSUN 2008 Gleisdorf Solar 2008 mit einem Halbtagesblock zu Solarer Kühlung Joint Workshop of Task 38 with IEA HPP Annex 34 Thermally Driven Heat Pumps for Heating and Cooling 3 rd International Conference Solar Air- Conditioning Task 38 workshop at the ASHRAE Trade Show Public workshop Solar driven cooling and air-conditioning in a Danish and worldwide perspective EUROSUN 2010 mit Teilnahme von Experten der Task 38 4th International Conference Solar Air- Conditioning Bolzano, Italien 18. Oktober 2006 Aix-les-Bains, Frankreich 25. April 2007 Barcelona, Spanien 15. Oktober 2007 Wien, Österreich 31. März 2008 Lissabon, Portugal Oktober 2008 Gleisdorf, Österreich September 2008 Freiburg, Deutschland 29. April 2009 Palermo, Italien 30. September 2. Oktober 2009 Orlando, Florida 27. Januar 2010 Aarhus, Dänemark 28. April 2010 Graz, Österreich 29. September 1. Oktober 2010 Larnaca, Zypern Oktober Zusammenfassung Task 38 war eine der größten einzelnen Aktivitäten im IEA Solar Heating & Cooling Programme im Hinblick auf die Teilnahme. Insgesamt 49 Organisationen aus 12 Ländern nahmen an der Task teil - 16 Forschungsinstitute, 20 Universitäten und 13 private Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

32 Unternehmen (Planungs- und Ingenieurbüros, Hersteller und Installateure). Die große Zahl der teilnehmenden Experten an den Expert Meetings (im Durchschnitt 64 Teilnehmer) zeigte das hohe Interesse am Thema. Die hohe Qualität der Berichte und Ergebnisse und deren Präsentation bei verschiedenen Konferenzen und anderen Veranstaltungen haben dazu beigetragen, den technischen Fortschritt und die Markteinführung der solaren Kühlung zu unterstützen. Eine große Herausforderung in Bezug auf das Management war die Organisation von Treffen mit mehr als 60 Teilnehmern. Nach einer ersten Phase des Experimentierens mit der am besten geeigneten Form der Veranstaltungsorganisation wurde eine erfolgreiche Organisationsform etabliert, bei der sich eine Aufteilung in Plenarbeiträge und Arbeitsgruppentreffen bewährt hat. Bericht Teilprojekt 1 IEA-Task Solar Air-Conditioning and Refrigeration - Mitarbeit und Operating Agent" Eine Hauptaktivität der Task 38 war ein detailliertes Monioring von insgesamt 25 Anlagen. 14 dieser Anlagen waren im kleinen Leistungsbereich mit Fokus auf vorgefertigten Systemen für den Einsatz im Wohn- und kleingewerblichen Bereich. 11 der 25 Systeme sind in großen kommerziellen Gebäuden oder industriellen Prozessen installiert und stellen eine Kategorie von maßgeschneiderten Systemen dar, die speziell auf die besonderen Bedingungen bezogen auf Standort und Anwendung ausgelegt sind. Es stellte sich heraus, dass ein detailliertes Monitoring so vieler Anlagen ein sehr ehrgeiziges Ziel ist. Um die Zuverlässigkeit sowohl des Betriebs der Anlagen als auch des Datenerfassungssystems zu sichern, wurde viel mehr Zeit benötigt, als es ursprünglich in der Task 38 geplant war. Dies war der Hauptgrund dafür, dass die Verlängerung der Task notwendig wurde. Als wichtigstes Ergebnis der Task 38 konnte gezeigt werden, dass die Systeme in der Lage sind, erhebliche Primärenergie-Einsparungen im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen zu erreichen. Es stellte sich jedoch auch klar heraus, dass eine hohe Qualität auf allen Projektebenen benötigt wird, um diese Einsparungen zu erzielen. Eine sorgfältige Planung, eine hohe Qualität der Installation, der Inbetriebnahme und ein Monitoring (möglichst sogar eine Art fortgesetzte Inbetriebnahme") sind notwendig, um einen langfristigen und stabilen Betrieb zu gewährleisten und die Vorteile in Form von niedrigerem Energieverbrauch und Betriebskosten im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen zu garantieren. In der Task 38 wurden verschiedene Werkzeuge und Konzepte entwickelt, um zur erfolgreichen Durchführung zukünftiger Projekte beizutragen. Darüber hinaus sind viele übergreifende Aktivitäten im Bereich der Forschung durchgeführt worden, wie eine Exergieanalyse von Anlagen zur solaren Kühlung, eine umfassende Simulationsstudie sowie erstmals eine umfangreiche Analyse des Lebenszyklus von Anlagen zur solaren Kühlung. Nicht alle innerhalb der Task 38 ursprünglich angestrebten Ergebnisse wurden in vollem Umfang erreicht. Insbesondere die Arbeit an Zertifizierung und Standardisierung von Systemen (Subtask D, Workpackage D2) musste auf Grund fehlender Ressourcen ausgelassen werden. Dennoch wurden die meisten Aktivitäten abgeschlossen und ein Mangel an Finanzierung war nicht so sehr ein Problem für die Task-Teilnehmer wie z. B. im Vergleich zur vorherigen Task 25. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

33 3 Bericht Teilprojekt 2 Neues, hocheffizientes Verfahren zur Bericht Teilprojekt 2 Neues, 3.1 Grundprinzip Die englische Bezeichnung des Systems beschreibt gleichzeitig das Grundprinzip des ECOS-Systems: ECOS = Evaporatively COoled Sorptive heat exchanger. Im Vergleich zu einem klassischen sorptionsgestützten Klimatisierungssystem (SGK) bzw. im Englischen Desiccant Evaporative Cooling System (DEC), bei dem die Prozesse sorptive Entfeuchtung und Verdunstungskühlung in hintereinander geschalteten Komponenten ablaufen, werden im ECOS beide Prozesse gleichzeitig in einem Wärmeübertrager kombiniert (vgl. Abbildung 6). Während die Zuluft durch das auf den Oberflächen der Zuluftkanäle des Wärmeübertragers aufgebrachte Sorptionsmaterial entfeuchtet wird, kommt es zur Freisetzung von sog. Sorptionswärme. Die gleichzeitig durch die Abluftkanäle (Kühlkanäle) des Wärmeübertragers strömende Abluft wird vor dem Eintritt in den Wärmeübertrager in der Art befeuchtet, dass der wesentliche Teil des Befeuchtungswassers auf die Oberflächen der Kühlkanäle trifft, diese großflächig benetzt und dort verdunstet. Durch den Verdunstungsprozess wird der Kanalwand Wärme entzogen, die damit zur Kühlung des rückseitig stattfindenden Sorptionsprozesses führt. Neben der Trennung von Zu- und Abluftstrom stellt die Erhöhung der nutzbaren Adsorptionskapazität durch die Kühlung des Sorptionsmaterials den wesentlichen Vorteil des ECOS-Systems gegenüber den konventionellen Systemen zur sog. offenen Sorptionsklimatisierung dar. Abbildung 6: Grundprinzip des ECOS (die Bauform des Wärmeübertragers entspricht nicht der Realisierung) Mit fortschreitender Adsorption wird das Sorptionsmittel zunehmend mit Wasser beladen und muss thermisch regeneriert werden. Dafür werden die Zuluftkanäle mit heißer Luft durchströmt. Um bei der Integration des ECOS-Systems in ein Lüftungsgerät eine quasi-kontinuierliche Zuluftkonditionierung zu gewährleisten, müssen aus diesem Grund zwei ECOS-Wärmeübertrager eingebaut werden, die wechselweise betrieben Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

34 werden. Die Darstellung in der Abbildung 7 zeigt schematisch die Umsetzung in einem Lüftungsgerät, wobei hier Kreuzstrom-Wärmeübertrager dargestellt sind. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 7: Umsetzung des ECOS-Systems in einem Lüftungsgerät Für den Betrieb in einem Lüftungsgerät ist es weiterhin notwendig, jeweils den während der Desorption erhitzten Wärmeübertrager zunächst in einer sog. Zwischenkühlphase abzukühlen, bevor erneut eine Adsorptionsphase beginnen kann. Um die kontinuierliche Luftzufuhr zu gewährleisten, müssen daher die zeitliche Dauer der Desorption und Zwischenkühlung zusammengenommen der Dauer der Adsorption entsprechen. Diese Betriebsweise, die eine kontinuierliche Aufbereitung von Zuluft ermöglicht, ist in den Darstellungen in Tabelle 5 und Tabelle 6 verdeutlicht. Tabelle 5: Zeitliche Abfolge der Betriebszustände für eine kontinuierliche Zufuhr von konditionierter Zuluft (ZK: Zwischenkühlung) BT 1 BT 2 BT 3 BT 4 ECOS 1 Adsorption Desorption ZK ECOS 2 Desorption ZK Adsorption Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

35 Tabelle 6: Darstellung der vier Prozessphasen im ECOS-Lüftungsgerät Desorption des oberen Wärmeübertragers und Adsorption im unteren Wärmeübertrager Bericht Teilprojekt 2 Neues, Zwischenkühlung des oberen Wärmeübertragers und Adsorption im unteren Wärmeübertrager Adsorption im oberen Wärmeübertragers und Desorption des unteren Wärmeübertragers Adsorption im oberen Wärmeübertragers und Zwischenkühlung des unteren Wärmeübertragers Die Darstellung in Abbildung 8 stellt den Anwendungsvorschlag für ein ECOS- Lüftungsgerät in Kombination mit der Nutzung von Solarwärme für die Regeneration des Sorptionsmaterials dar. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

36 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 8: Grundprinzip und Anwendungsvorschlag des ECOS-Systems 3.2 Prüfstand Planung und Aufbau des Prüfstandes Zu Beginn der Projektlaufzeit wurde am Fraunhofer ISE ein Teststand geplant und aufgebaut, um unterschiedliche sorptiv beschichtete Luft-Luft-Wärmeübertrager messtechnisch charakterisieren zu können. Die Abbildung 10 zeigt das Planungsschema für den Teststand, das endgültige Schema des Teststandes ist der Abbildung 114 in den Anlagen zu entnehmen. Um realitätsnahe Betriebsbedingungen für die durchzuführenden Tests zu gewährleisten, werden sowohl simulierte Außenluft, simulierte Raumabluft und außerdem Regenerationsluft bereitgestellt. Am Wärmeübertrager (ECOS) weisen die Volumenströme jeweils einen Auslegungswert von 400 m³/h auf. Auf Grund des zyklischen Betriebsverhaltens im ECOS-System (an die Adsorptionsphase schließen sich die Desorptionsphase und die Zwischenkühlung an) ist die Einstellung und Einhaltung konstanter Versuchsbedingungen von großer Bedeutung. Aus diesem Grund wurde der Prüfstand so konzipiert, dass während der Versuchsphase dauerhaft die notwendigen Luftvolumenströme bereitgestellt werden und bei Bedarf die entsprechenden Teilströme entnommen werden können. Für eine Verringerung der Wärmeund Feuchteverluste wird einerseits das Raumvolumen der Versuchshalle als Puffer genutzt und gleichzeitig über einen Luft-Luft-Wärmeübertrager die angesaugte Außenluft durch die Systemabluft erwärmt. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

37 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 9: Planungsschema des Teststandes Die Bedienung des Prüfstandes erfolgte zunächst über den anlageninternen Steuerrechner, der mit einem Touchscreen ausgerüstet ist. Um jedoch die Steuerung und insbesondere die Regelung zu vereinfachen, wurde ein separater Rechner mit dem System gekoppelt. Auf diesem Rechner läuft eine Datenerfassungs- und Regelungssoftware (Remus und Sequencer). Für die Messdatenerfassung wird zunächst der interne Rechner genutzt, die Daten werden aber vollständig an den externen Rechner übergeben, der damit als Messrechner fungiert. Die Abbildung 10 zeigt den schrittweisen Aufbau des Teststandes, wobei im rechten Bild bereits ein erster Wärmeübertrager-Prototyp eingesetzt ist. Der fertig gestellte Teststand auf der Abbildung 11 dargestellt. Abbildung 10: Teststand während der Aufbauphase Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

38 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 11: Optimierter Teststand Bezeichnung der Anschlüsse am Prüfling (ECOS-Wärmeübertrager) Tabelle 7: Übersicht und Beschreibung der Anschlussbezeichnungen am Teststand Luftzustand Abkürzung/Bezeichnung ECOS Teststand Abkürzung/ Bezeichnung Luftkonditionierung Simulierte SoS in Sorption Side: Seite auf der simamba simulated Außenluft die Sorptionsschicht aufge- ambient Air bracht ist in: Eintrittsseite des Wärmeübertragers Simulierte SoS out out: (Austrittsseite des Wär- Raumzuluft meübertragers) Simulierte WS in Water Side: Seite auf der simrooa simulated Raumabluft das Wasser eingesprüht wird room Air (hydrophile Beschichtung) in: Eintrittsseite des Wärmeübertragers Simulierte WS out out: Austrittsseite des Wär- Fortluft meübertragers Desorptions- desa desorption luft Air Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

39 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 12: Schematische Darstellung des Prüflings mit Angabe der Anschlüsse Sensorik in der Luftkonditionierung und im ECOS-Teststand Entsprechend der Angaben der Messstellen auf dem Schema des Teststandes (vgl. Abbildung 114) wurden sowohl die Luftkonditionierungsstrecken als auch der ECOS- Teststand um den Prüfling mit entsprechender Sensorik für die Erfassung der Luftparameter ausgestattet. Die genutzten Sensoren wurden sowohl für die Regelung des Teststandes genutzt als auch für die Messung der Luftbedingungen vor und hinter dem Prüfling. Eine Übersicht der eingesetzten Sensoren sind der Tabelle 34 und Tabelle 35 im Anhang zu entnehmen. Die Anordnung der Sensoren um den Prüfling ist in der Abbildung 13 dargestellt. Abbildung 13: ECOS-Prüfling mit Angabe der Messstellen (Sensorik) Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

40 Vor dem Einbau der Messtechnik erfolgte die Kalibrierung der Temperatursensoren, der Feuchtesensoren und der Volumenstrommessung. Auf Grund dessen, dass eine Kalibrierung der Temperatursensoren im Luftkanal nicht möglich ist, erfolgte diese zunächst im thermostatisierten Wasserbad, spätere Nachkalibrierungen wurden mit einem Blockkalibrator durchgeführt, da damit eine höhere Genauigkeit durch eine stabilere Temperatur erreicht werden kann. Die erzielte Messgenauigkeit beträgt teilweise bis zu 0,02 K, womit allgemein eine Messgenauigkeit der Sensorik von 0,1 K erreicht wird. Für die Kalibrierung der Feuchtemessung mittels Taupunktsonden, Gasfeuchtefühler und Taupunktspiegel wurde der vorhandene und vom Hersteller geeichte Taupunktspiegel als Referenz genutzt. Die Volumenstrommessung und daraus die Massenstrombestimmung in den Luftkanälen erfolgt mittels Wilson-Staugitter und Normblende. Die Normblende wurde hierbei als Referenz für die Kalibrierung der Staugitter genutzt. Die Kalibrierung der Volumenstrommessung und Massenstrombestimmung wurde erfolgreich durchgeführt. Der Fehler der Massenstrombestimmung liegt bei maximal 6 %. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Messung der Luftfeuchte Zur Luftfeuchtemessung auf der Außenluft- und Zuluftseite (SoS) des zu untersuchenden Wärmeübertragers werden kapazitive Taupunktsonden eingesetzt. Die Messgenauigkeit dieser Sensoren ist mit ± 0,5 K geringer als die des Taupunktspiegels, jedoch haben sie ein erheblich schnelleres Ansprechverhalten, was insbesondere bei den dynamischen Prozessen in der Ad- und Desorptionsphase von Bedeutung ist. Die maximale Temperaturbeständigkeit der verwendeten Taupunktsonden liegt bei 100 C. Für den Betrieb des Taupunktspiegels wurde ein Probenahmesystem installiert, welches die Anordnung außerhalb des Kanals ermöglicht. Die Entnahme der Luft erfolgt ringförmig an mehreren Stellen im Kanal. Die Luft wird dann mittels einer kleinen Pumpe über den Taupunktspiegel geleitet, wobei mittels eines Drosselventils der Volumenstrom begrenzt wird, um eine genaue Messung zu gewährleisten. Die Unterschreitung des Taupunkts wird durch die Beheizung der Probenahmeleitung verhindert. Wassereindüsung zur Verdunstungskühlung Für die Realisierung und die Untersuchung der Verdunstungskühlung wurde eine entsprechende Versuchseinrichtung aufgebaut. Auf Grund des am Standort vorliegenden Trinkwassers mit einem Härtegrad von etwa 12 dh musste eine entsprechende Wasseraufbereitung (Enthärtung) installiert werden, um sowohl die Funktionsfähigkeit der zur Befeuchtung eingesetzten Düsen zu gewährleisten als auch ein Verkalken des Wärmeübertragers zu verhindern. Die Befeuchtungseinheit besteht aus einem Hydraulikkreis, in welchem mittels einer Pumpe der erforderliche Sprühdruck erzeugt wird, einem Vorratsbehälter (vgl. Abbildung 14) sowie dem Düsenstock im Luftkanal. Für die Wassereindüsung wird mit einem Druck von etwa 3,5-5 bar gearbeitet. Das eingesprühte Wasser wird dann durch den Luftstrom in die hydrophil beschichteten Kanäle des Wärmebertragers getragen. Eine detaillierte Beschreibung des Versuchsaufbaus ist dem Abschnitt 3.7 zu entnehmen. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

41 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 14: Aufbau des Befeuchtungssystems am Teststand Anschlussstücke für den Prüfling (ECOS-Wärmeübertrager) Die Erfahrungen aus der Vermessung des ersten Wärmeübertrager-Prototyp hatten gezeigt, dass die zunächst eingesetzten Anschlussstücke aus Kanalblech eine zu hohe thermische Masse aufwiesen und dies zu einer Beeinflussung der Messergebnisse führte. Aus diesem Grund erfolgte der Bau der Anschlussstücke aus Polycarbonat- Doppelstegplatten. Die Anschlussstücke wurden wie auch der Wärmeübertrager selbst außen mit Polystyrolplatten isoliert (vgl. Abbildung 11 sowie Konstruktion in Abbildung 15). Abbildung 15: Konstruktion der Anschlussstücke des Prüflings Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

42 3.3 Materialvermessungen/-charakterisierung Sorptionsmaterialien Bericht Teilprojekt 2 Neues, Zu Beginn der Projektlaufzeit wurden dem Fraunhofer ISE von der Fa. Klingenburg die in Tabelle 8 aufgeführten Materialproben zur Untersuchung der Sorptionseigenschaften übergeben. Die Vermessung der Proben erfolgte im Thermoanalyselabor des ISE. Hierbei wurden für eine erste Charakterisierung die Gleichgewichtsisothermen bei 12 und 56 mbar bestimmt. Die Abbildung 16 und Abbildung 17 zeigen die Ergebnisse für die reinen Zeolithe und die Papierproben. Diese Messergebnisse bilden die Grundlage für die Auswahl möglicher geeigneter Sorptionsmaterialien für den beschichteten Wärmeübertrager. Tabelle 8: Übersicht der Sorptionsmaterialproben Nr. Probentyp Material Probenbezeichnung 1 reiner Zeolith Na-A-Zeolith KLI04 2 reiner Zeolith Ca-A-Zeolith KLI05 3 reiner Zeolith Li-A-Zeolith KLI06 4 reiner Zeolith Seltenerden-ausgetauschter A-Zeolith 5 reiner Zeolith Seltenerden-ausgetauschter Y-Zeolith 6 zeolithhaltiges Papier Papier mit 70% Zeolithgehalt 7 zeolithhaltiges Papier Papier mit 70% Zeolithgehalt 8 zeolithhaltiges Papier Papier mit 70% Zeolithgehalt KLI07 KLI08 KLI09 KLI-A3-02 KLI-C3-02 Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

43 relative Beladung [g/g] Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 16: Sorptionsgleichgewichte der reinen Zeolithproben für Messungen bei 12 und 56 mbar KLI09 Na-LTA-Papier (120 C) A3-02 Na-LTA-Papier (160 C) C3-02 Na-LTA-Papier (160 C) relativer Dampfdruck [p/p0] Abbildung 17: Sorptionsgleichgewichte der Zeolithpapiere Die Messergebnisse zeigen insbesondere für die Lithium- und Seltenerden-Zeolithe hohe relative Beladungen auf. Jedoch besteht bei den reinen Zeolithproben weiterhin die Problematik der Fixierung des Materials auf der Oberfläche des Wärmeübertragers. Deshalb wurden auch zeolithhaltige Papiere untersucht. Die Messergebnisse der Probe KLI09 weisen trotz der niedrigeren Ausheiztemperatur von 120 C eine verhältnismäßig hohe Beladungskapazität dieses zeolithhaltigen Papiers auf, weshalb dieses Material als nutzbar für die Beschichtung des Wärmeübertragers eingestuft wurde. In weiteren Arbeitsschritten wurde dieses Material auf seine Eignung näher untersucht. Zusätzlich zu den oben aufgeführten Sorptionsmaterialien wurde von der Firma Klingenburg GmbH eine weitere Probe zur Verfügung gestellt. Es handelte sich hierbei um ein Papier-Silikagel-Komposit mit einem erhöhten Anteil an Silikagel (70-80%). Dieses wurde Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

44 im weiteren Verlauf des Projekts in Prototyp I verwendet. Die Sorptionsgleichgewichte des Silikagel-Papier-Komposits (KLI 11) sind in Abbildung 18 dargestellt. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 18: Sorptionsgleichgewichte des in Prototyp I verwendeten Silikagel-Papier- Komposits (Quelle: [Bongs 2013]) Als weitere Materialprobe wird eine Probe, bestehend aus einem mit Epoxidharz aufgeklebten Silikagel analysiert (vgl. Abbildung 19). Eine vergleichbare Beschichtung wurde von der Firma SorTech AG erzeugt und in Prototyp II und IV eingesetzt. Die Gleichgewichtsdaten des dort verwendeten Silikagels Grace123B sind in Abbildung 20 dargestellt. Abbildung 19: Silikagelprobe mit kugelförmigen Partikeln Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

45 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 20: Sorptionsgleichgewichte des in Prototyp II und IV verwendeten reinen Silikagels Grace 123B (aus [Bongs 2013]) Der nächste Untersuchungsschritt nach der thermogravimetrischen Analyse der Materialien im Thermoanalyselabor war die Untersuchung der Zyklenstabilität. Die Beschreibung erfolgt im Abschnitt Zusätzlich wurde mit Mitsubishi Chemicals eine Zusammenarbeit ins Leben gerufen, in deren Rahmen von Mitsubishi Wärmeübertragerbleche mit einem FAM-Zeolithen beschichtet wurden. Ursprünglich war geplant, dass durch den Partner Klingenburg aus diesen Blechen dann ein Wärmeübertragerprototyp gebaut werden sollte. Auf Grund des Ausstiegs von Klingenburg aus dem Projekt wurden sowohl der Aufbau des Prüflings als auch die Vermessung und Charakterisierung des Wärmeübertragers durch das Fraunhofer ISE realisiert. Einzelheiten dazu sind im Abschnitt 3.4 dargestellt Materialvergleich Materialvergleich an Hand von Sorptionsisothermen Zur ersten Bewertung von Adsorbens-Adsorptiv-Paarungen können ihre Adsorptionsgleichgewichte herangezogen werden. Das Adsorptionsgleichgewicht kann durch die Größen Beladung X, relativer Dampfdruck p/p 0 und Temperatur T ads an der Oberfläche des Adsorbens eindeutig beschrieben werden. Der relative Dampfdruck ist dabei das Verhältnis des Dampfdruckes p in der Gasphase - beim offenen Prozess der Wasserdampfpartialdruck der Prozessluft - und dem Sättigungsdampfdruck p 0 bei der Temperatur des Adsorbens (z.b. der messbaren Oberflächentemperatur T ads des Adsorbens). Für ein betrachtetes Adsorbens können damit für verschiedene Gleichgewichtstemperaturen die Isothermen im Relativdruck-Beladungs-Diagramm dargestellt werden. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

46 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 21: Gleichgewichtsbeladungen bei verschiedenen Adsorbenstemperaturen für einen Y-Zeolith Abbildung 22: Gleichgewichtsbeladungen bei verschiedenen Adsorbenstemperaturen für ein Silikagel In Abbildung 21 und Abbildung 22 sind die Gleichgewichtsdaten für zwei Vertreter der Materialklassen Y-Zeolith und Silikagel dargestellt. Die Adsorptionsgleichgewichte sind für idealisierte Prozesspunkte eines gekühlten und eines ungekühlten Adsorptionsprozesses eingezeichnet. Die untere gestrichelte Linie kennzeichnet die Minimalbeladung nach der Desorption. Streicht die Desorptionsluft (T des = 90 C, x des = 14,1 g/kg) kontinuierlich für eine längere Zeit über das Sorptionsmaterial, so nimmt dieses im idealisierten Fall eine Temperatur von T ads =90 C an. Die Gleichgewichtsbeladung stellt sich somit im Schnittpunkt der relativen Feuchte der Prozessluft mit der 90 C Isotherme ein. Wird nun ein ungekühlter Adsorptionsprozess angenommen, in welchem die Außenluft (T 1 = 35 C, x 1 = 14,1 g/kg) bis zu Erreichen des Gleichgewichts das Sorptionsmaterial überstreicht, so ist die Außenlufttemperatur die niedrigste Temperatur, die das Adsorbens annehmen kann. Das Gleichgewicht stellt sich am Schnittpunkt dessen relativer Feuchte mit der 35 C Isotherme ein. In einem realen ungekühlten SGK-Prozess liegt jedoch die mittlere Adsorbenstemperatur immer oberhalb der Zulufttemperatur, da erstens das Adsorbens noch von der Desorption eine höhere Temperatur aufweist (kapazitiver Effekt) und zweitens die frei werdende Adsorptionswärme zu einer Temperaturerhöhung führt. Das Adsorptionsgleichgewicht verschiebt sich somit im Realfall weiter nach links zu niedrigerer Beladung. Bei einem gekühlten Prozess hingegen kann sich auch eine Adsorbenstemperatur einstellen, die unterhalb der Außenlufttemperatur liegt (im Beispiel T ads = 30 C). Inwiefern sich dies auch in einem höheren Beladungshub bemerkbar macht, hängt von der Steigung der Adsorptionsisothermen im relevanten Bereich des relativen Dampfdrucks ab. Abbildung 21 zeigt bereits für einen Y-Zeolith einen hohen Beladungshub bei noch hohen Adsorbenstemperaturen. Entsprechend Abbildung 22 ist der Beladungshub für ein Silikagel bei hohen Adsorbenstemperaturen geringer, jedoch kann er durch Adsorbenskühlung signifikant vergrößert werden. Insofern zeigt sich, dass die Materialwahl für die Anwendung in einem gekühlten Prozess anders ausfallen kann als für einen ungekühlten Prozess und für die Prozessoptimierung von hoher Be- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

47 deutung ist. In dem diskutierten Fall wäre das betrachtete Silikagel dem Y-Zeolithen für den Einsatz im gekühlten offenen Sorptionsprozess vorzuziehen. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Materialvergleich an Hand der charakteristischen Kurve Die Eignung von Sorptionsmaterialien für den Einsatz in einem gekühlten Sorptionsprozess kann auch anhand der charakteristischen Kurven nach der Potentialtheorie von Dubinin [Dubinin und Astakhov 1971] überprüft werden. Hierzu ist zunächst der relevante Arbeitsbereich zu definieren, ähnlich wie dies auch bei geschlossenen Adsorptionsprozessen der Fall ist [Núñez 2001]. Für eine Betrachtung der Grenzen des Arbeitsbereiches bei der Anwendung für offene Systeme müssen die minimale und maximale erwartete Temperatur des Adsorbens und der Partialdampfdruck des Wasserdampfes in der Luft als relevante Größen berücksichtigt werden. Als Beispiel sollen im Folgenden analog zur Betrachtung der Materialauswahl für verschiedene Isothermen im Relativdruck-Beladungs-Diagramm die dort verwendeten Temperaturen und Feuchten den Arbeitsbereich bestimmen. Tabelle 9 gibt das Adsorptionspotential für verschiedene mögliche Prozesspunkte an. Im Allgemeinen ist das Adsorptionspotential für hohe Temperaturen und niedrige Feuchten hoch (geringe Beladung) und für niedrige Temperaturen und hohe Feuchten niedrig (hohe Beladung). Tabelle 9: Adsorptionspotential zu verschiedenen Materialtemperaturen und Wasserdampfpartialdrücken Temperatur des Sorptionsmaterials [ C] Wasserdampfgehalt der Luft [g/kg] Adsorptionspotential [J/g] Abbildung 23 zeigt beispielhaft den Arbeitsbereich für einen Wasserdampfpartialdruck von 14.1 g/kg und zwei verschiedene Temperaturhübe. Der schwarz eingegrenzte Bereich gilt für Adsorbenstemperaturen von 90 C in der Desorption und 30 C in der Adsorption, der rot eingegrenzte Bereich für 60 C in der Desorption und 35 C in der Adsorption. Der Hub des adsorbierten Volumens beim Silikagel ist für beide Fälle sehr viel größer als für den Y-Zeolith, und das Silikagel somit in der Betrachtung der Gleichgewichte besser für die Anwendung im offenen System geeignet. Wird ein Temperaturhub zwischen 30 C und 60 C betrachtet (rot gekennzeichnet), so ist die Steigung der charakteristischen Kurve beim Silikagel in diesem Bereich noch steil und der umsetzbare volumetrische Beladungshub hoch. Beim Y-Zeolith hingegen wird ein Großteil des Bereichs mit steiler Steigung abgeschnitten das Material eignet sich also weniger gut für Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

48 die Anwendung mit niedrigen Desorptionstemperaturen. Wird der linke Rand, eine Abkühlung der Adsorbenstemperatur von 35 C (linker rot gekennzeichneter Rand) auf 30 C (linker schwarz gekennzeichneter Rand) betrachtet, so befindet sich die charakteristische Kurve des Silikagels im Bereich noch ausgeprägt hoher Steigung es eignet sich also besser für einen gekühlten Prozess als der Y-Zeolith. Im Vergleich zum geschlossenen System (Arbeitsbereiche grob zwischen Adsorptionspotentialen von 200 J/g und 1200 J/g) liegt der Arbeitsbereich des offenen Systems bei deutlich geringeren Adsorptionspotentialen. Aufgrund dessen muss die Wahl des Adsorptionsmaterials im offenen System anders ausfallen als im geschlossenen System. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 23: Beispielhafter Arbeitsbereich der charakteristischen Kurve im offenen System (A: Adsorptionspotential und W: Volumenfüllung) Die Auswahl eines geeigneten Sorptionsmaterials erschöpft sich nicht in der Auswertung von Gleichgewichtsdaten. Es sind ebenso weitere Kriterien wie Adsorptionskinetik und Materialstabilität zu berücksichtigen. Zyklentests zur Bestimmung der Materialstabilität werden im Folgenden vorgestellt Zyklentests Parallel zu den Arbeiten am Teststand wurden Materialproben in der Zyklenapparatur ersten Tests unterzogen, um den Einfluss der Wechselbelastung durch Temperatur und Feuchte auf das Sorptionsvermögen und die Materialstabilität zu untersuchen. Die Untersuchungen umfassen die Bestimmung der Sorptionskapazität der Proben mittels Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

49 Thermogravimetrie sowohl vor der Zyklierung als auch nach jeweils 500, 1000 und 5000 Zyklen, außerdem die optische Begutachtung der Probenoberfläche. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Mitsubishi AQSOA Z01 (AlPO) Diese Langzeitstabilitätsuntersuchungen verlaufen grundsätzlich wiederholend nach dem folgendem Muster: In Anschluss an die Zyklierung der Proben in der Zyklentestapparatur werden nach einer festgelegten Anzahl von Zyklen die Sorptionsgleichgewichte in der Thermogravimetrie bestimmt. In der Zyklentestapparatur sind die Proben einer Wasserdampfatmosphäre bei einem Druck von 12 mbar ausgesetzt und werden jeweils innerhalb einer Zeitspanne von 3 Minuten von 25 C auf 100 C aufgeheizt und wieder auf 25 C abgekühlt. Die ursprüngliche Planung bestand darin, die Gleichgewichtsuntersuchungen jeweils nach etwa der gleichen Anzahl von Zyklen vorzunehmen. Auf Grund von technischen Problemen mit der Zyklentestapparatur erfolgten die Untersuchungen teilweise häufiger als vorgesehen. Zur Bestimmung der Desorptionsgleichgewichte in der Thermogravimetrie wird mit der jeweiligen Probe eine Desorptionsmessung mit den Temperaturstufen 20, 60, 95 und 140 C bei einem Wasserdampfdruck von 12 mbar durchgeführt. Der bei 140 C bestimmte Wert wird als Referenzpunkt verwendet und damit jeweils die Beladungen und Masseänderungen der anderen Messpunkte in Bezug auf diesen Wert gesetzt bzw. als Adsorptionskapazität bei den unterschiedlichen Temperaturen bezeichnet. Die Tabelle 10 enthält eine Probenübersicht. Tabelle 10: Übersicht der Zyklentestproben Probe Silikagel- UOP-Folie Papier der (DDZ-70) Klingenburg GmbH SorTech Si- likagel- Klebung (Grace 127B) Bezeichnung Zeolite-Y FAPO-5 Material- Verbund mit Verbund mit Spraycoating Granulat- verbund 3F- 3M-Klebefolie mit Bindemittel klebung Transfertape Foto Die Ergebnisse der optischen Auswertung der Proben mit UOP-Material haben gezeigt, dass es zwischen dem hier verwendeten Transferklebeband des Herstellers 3M und dem Sorptionsmaterial möglicherweise zu einer Wechselwirkung kommt. Auf Grund der im Vorfeld durchgeführten Versuche zum Klebeverhalten der Transferklebebänder und der Favorisierung des 3F-Produktes wurde der Prototyp I des sorptiv beschichteten Wärmeübertragers unter Verwendung dieses Transferklebebandes und des Silikagelpapiers der Klingenburg GmbH gefertigt. Die ersten 500 Zyklen haben bei dieser Materialkonstellation bisher keine sichtbaren Veränderungen hervorgerufen. Auf Grund des- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

50 sen, dass das Silikagel-Papier-Komposit, mit dem der erste Wärmeübertrager-Prototyp beschichtetet wurde, im weiteren Projektverlauf nicht mehr verfügbar war, wurde die weitere Untersuchung dieses Materials nicht fortgesetzt. Die Abbildung 24 zeigt Zwischenergebnisse der Zyklentests. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 24: Verlauf der Adsorptionskapazität der untersuchten Komposite über den ersten Testzeitraum. Die Angaben sind jeweils relative Werte bezogen auf die Kapazität vor Beginn der Belastung (=100%). (Einige Fehlerbalken fallen aufgrund von Temperatur- und Druckabweichungen während der Messungen stark asymmetrisch aus) Von der Firma SorTech AG wurde eine Probe mit einer Silikagelklebung für die Zyklentests angefertigt. Diese Art der Klebung entspricht damit der SorTech-Beschichtung, welche im Prototyp II und IV angewendet wurde. Die Abbildung 25 zeigt die endgültigen Ergebnisse der Zyklentests in Form der Gleichgewichtsmessungen für das Material von UOP und Mitsubishi. Beide Proben waren der maximal untersuchten Anzahl von Zyklen ausgesetzt. Die Auswertung der Zyklentests zeigt wie erwartet eine Abnahme der Adsorptionskapazität über der Zyklenzahl. Jedoch wird daraus ebenfalls deutlich, dass ab etwa Zyklen eine Stabilisierung bei etwa 80% bzw. 93% der Anfangskapazität und ab diesem Punkt keine wesentliche Änderung der Sorptionskapazität mehr stattfindet. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

51 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 25: Verlauf der Adsorptionskapazität der untersuchten Komposite. Die Angaben sind jeweils relative Werte bezogen auf die Kapazität vor Beginn der Belastung (entspricht 100%). 3.4 Wärmeübertrager Prototypen Im Verlauf des Projektes wurden insgesamt 6 Wärmeübertrager auf dem Teststand vermessen. Vier dieser Wärmeübertrager waren mit einer sorptiven Beschichtung versehen, während die zwei übrigen Wärmeübertrager keine Sorptionsschicht aufwiesen. Die sorptiv beschichteten Wärmeübertrager werden mit Prototyp I bis IV bezeichnet, die unbeschichteten als Wärmeübertrager 1 und 2. Während der Wärmeübertrager 1 mit einer hydrophilen Beschichtung auf der Abluftseite versehen war, wies der Wärmeübertrager 2 keine Oberflächenbeschichtung auf. An beiden Wärmeübertragern wurde der Einfluss und der Effekt der Verdunstungskühlung untersucht. Das Vorgehen und die Ergebnisse sind im Abschnitt 3.7 beschrieben. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

52 Tabelle 11: Technische Daten der Prototypen I bis IV und Wärmeübertrager 1 und 2 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

53 3.4.1 Anfertigung von Prototyp I Durch den Ausstieg des Kooperationspartners Klingenburg GmbH aus dem Verbundprojekt zum stellte sich überraschend eine neue Situation ein. Der für die Fertigung der Hauptkomponente Wärmeübertrager verantwortliche Partner war nicht mehr vorhanden. Deshalb wurde in Absprache mit dem Projektträger als auch mit dem Projektpartner, der Robert Bosch GmbH, entschieden, dass die von der Klingenburg GmbH zu erbringenden Arbeiten vom Fraunhofer ISE übernommen werden. Dies war dringend notwendig, da bis zum Zeitpunkt des Ausstiegs der Klingenburg GmbH aus dem Projekt leider die Fertigung des ersten sorptiven Wärmeübertragerprototyps nicht realisiert worden war. Eine entsprechende Anfrage zur Übernahme und Weiterführung des Förderprojektes durch das Fraunhofer ISE wurde deshalb an den Projektträger gestellt. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Um schnellstmöglich einen ersten Prototyp eines sorptiv beschichteten Wärmeübertragers zur Verfügung zu haben, wurden die bei der Firma Klingenburg bereit liegenden Materialien abgeholt und am Fraunhofer ISE sofort mit der Prototyp-Fertigung begonnen. Bei dem Sorptionsmaterial handelt es sich um ein von der Firma Klingenburg zur Verfügung gestelltes Papier mit einem Silikagelanteil zwischen 70 und 80 % (Angabe Klingenburg GmbH). Dieses Papier wurde mit Hilfe eines Transfertapes des Herstellers 3F (Typ T11009-K100) einseitig auf die Blechfolien geklebt (vgl. Abbildung 26). Anschließend erfolgte das Zusammenfügen der Folien mit zwischengelegten Abstandswellen zu einem Stapel und die Verklebung der jeweiligen Kanalseiten (Abbildung 26 und Abbildung 27). Abbildung 26: Arbeitsschritte der Anfertigung von Prototyp I: Aufbringen des Sorptionspapiers auf die Blechfolien (links) und Stapeln und Verkleben der Blechfolien, Abstandswellen liegen in den Kanälen (rechts) Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

54 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 27: Zwischenstadium beim Bau von Prototyp I Die Abbildung 28 zeigt den fertig gestellten Wärmeübertrager mit einer aktiven Fläche von 14,72m². Für eine zusätzliche Charakterisierung des Temperaturverlaufes im Inneren des Wärmeübertragers während der Adsorptions- und Desorptionsphase wurden fünf PT1000 Dünnfilm-Temperatursensoren in der mittleren Schicht zwischen der Klebefolie und dem Sorptionsmaterial eingebracht Abbildung 28: Prototyp I mit Angabe der Außenmaße, jedoch noch ohne Flansche zum Einbau auf dem Teststand Prototyp II Durch die Zusammenarbeit mit der Firma Klingenburg zu Beginn wurde nach einer Möglichkeit gesucht, einen Standard-Plattenwärmeübertrager von Klingenburg nachträglich mit einer sorptiven Beschichtung, möglichst mit Silikagel, zu versehen. Der einzige Anbieter für derartige Beschichtungen war zu diesem Zeitpunkt die Firma Sor- Tech AG. Durch die SorTech erfolgte daher die Entwicklung und Umsetzung einer Epoxidharz-basierten Silikagelklebung auf den Zuluftkanälen eines Plattenwärmeübertra- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

55 gers. Die Abmessungen des Wärmeübertragers betragen 400x400x600 mm. Mit einem Plattenabstand von 5 mm ergeben sich 54 Kanäle. Die effektive Übertragungsfläche beträgt 16,42 m². Die aufgebrachte Masse an Silikagel beträgt 7.88 kg, die Masse des Klebers beträgt 3.26 kg. Der Plattenabstand wurde mit 5 mm so gewählt, dass nach der Beschichtung mit einem Granulatdurchmesser von etwa 1 mm immer noch ein ausreichend großer freier Kanalquerschnitt verbleibt, um den Druckverlust im Wärmeübertrager möglichst gering zu halten. Die Abbildung 29 zeigt den beschichteten Wärmeübertrager und vergrößert an einem Bildausschnitt die Silikagelbeschichtung auf den Lamellen der Zuluftseite des Wärmeübertragers. Durch die im Vergleich zum ersten Wärmeübertrager-Prototyp größeren Abmessungen dieses Wärmeübertragers musste der Teststand entsprechend angepasst werden. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 29: Prototyp II mit Silikagelbeschichtung, Nahaufnahme der Kanäle und Mikroskop-Aufnahme der Silikagelklebung (rechts) Anfertigung des Prototyp III In Zusammenarbeit mit der Firma Mitsubishi Plastics, Inc. wurden für den Bau eines Wärmeübertrager-Prototyps 52 Blechfolien beschichtet, die am Anfang der Projektlaufzeit von Klingenburg an Mitsubishi geliefert worden waren. Die Blechfolien aus Aluminiumblech waren einseitig mit einer hydrophilen Beschichtung versehen, wie sie auch schon in Prototyp I zur Anwendung kamen. Die Beschichtung war bereits durch den Blechhersteller Novelis aufgebracht worden. Bei dem für die Sorptionsschicht verwendeten Material handelt es mit AQSOA-FAM-Z01, um einen anorganischen Zeolith. Entsprechend den Angaben des Herstellers eignet sich das Material für den hier vorgese- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

56 henen Anwendungszweck in einem offenen Sorptionssystem, da insbesondere mit verhältnismäßig niedrigen Desorptionstemperaturen im Bereich zwischen 45 und 80 C gearbeitet werden kann. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Der Aufbau des Wärmeübertragers entspricht prinzipiell dem des Prototyp I, jedoch wurde hier als Abstandswelle zur Bildung der Kanäle eine Aluminiumwelle mit einer Höhe von 2.5 mm eingesetzt. Diese wurde von der Klingenburg GmbH zur Verfügung gestellt. Die Blechfolien selbst wiesen eine Stärke von 0.15 mm auf. Die Abbildung 30 zeigt den schichtweisen Aufbau des Wärmeübertragers und die Verbindung der einzelnen Blechfolien mit Hilfe von 3F-Transfertape. Ebenso ist die Abstandswelle gut zu erkennen. Die Dichtheit der Klebeverbindung zwischen den einzelnen Folienlagen ist von sehr hoher Bedeutung für die Funktionsfähigkeit des Wärmeübertragers, da damit ein Stoffübertrag, sowohl von Luft als auch von Befeuchtungswasser auf die jeweils andere Wärmeübertragerseite verhindert wird. Bezüglich der Luft ist dies wichtig, da hierdurch die Bilanz während der Bestimmung der Wärmeübertragerleistung nicht verfälscht wird und auch während der Adsorptions-,Desorptions- und Zwischenkühlphasen kein Stoffübertrag stattfindet. Die Vermeidung des Übertrages von Wasser von der Abluftseite auf die Zuluftseite ist insofern von hoher Bedeutung, da einerseits die Sorptionsschicht durch den direkten Kontakt mit flüssigem Wasser beschädigt werden könnte und andererseits die Entfeuchtungsleistung verringert würde. Abbildung 30: Schichtaufbau des Prototyp III (links: Blick auf die hydrophile Beschichtung, rechts: Blick auf die sorptive Beschichtung) Die Abbildung 31 zeigt den fertig gestellten Wärmeübertrager, wobei die beiden Kanalrichtungen jeweils markiert sind. In der Abbildung sind außerdem bereits die für den Anschluss des Wärmeübertragers auf dem Teststand notwendigen Anschlussprofile erkennbar. Durch die entsprechende Anpassung war es daher nicht notwendig, die Anschlusselemente für die Luftführung am Teststand komplett zu erneuern. Auf Grund der Beschränkung bezüglich der Beschichtungsbreite bei Mitsubishi Plastics, Inc. konnten die Folien nur bis zu einer Breite von 300 mm beschichtet werden. Aus diesem Grund hat die effektive Sorptionsschicht auf den Folien folgende Abmaße: 280 x 300 mm. Der fertige Wärmeübertrager, wie in der Abbildung 31 dargestellt, hat eine Anströmfläche von 280 x 286 mm, während die Lauflänge der Sorptionsschicht 300 mm beträgt. Die sich damit ergebende effektive Übertragungsfläche beträgt damit 8,57 m². Die Außenmaße des Wärmeübertragers an den Anschlussflanschen beträgt Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

57 452 x 360 x 452 mm (Breite x Höhe x Tiefe). Im Vergleich zu den vorherigen Wärmeübertragerprototypen ist die Geometrie damit wesentlich kleiner. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 31: Wärmeübertrager-Prototyp III mit Darstellung der beiden unterschiedlichen Kanalrichtungen Sorptive Beschichtung Die sorptive Beschichtung des Prototyp III besteht, wie bereits oben erwähnt, aus einem anorganischen Zeolith, der von der Firma Mitsubishi Plastics, Inc. unter der Bezeichnung AQSOA-FAM-Z01 hergestellt wird. Damit unterscheidet sich der Wärmeübertrager auch in dieser Hinsicht von den beiden vorherigen Prototypen, die mit einem Silikagel- Papier-Komposit bzw. direkt mit Silikagelkugeln beschichtet waren. Das verwendete Material weist, wie der Abbildung 32 zu entnehmen ist, einen steilen Anstieg der Sorptionsisothermen in einem schmalen Dampfdruckbereich auf, wobei die erreichbare Maximalbeladung unter 0.2 g/g angegeben ist und auch im Vergleich zu Silikagel bei höheren Dampfdrücken nicht weiter zunimmt. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

58 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 32: Sorptionsisothermen von AQSOA FAM-Z01 [Kakiuchi et al. 2004] Wärmeübertrager 2 Im Projektverlauf war bereits ein von der Firma SorTech mit Silikagel beschichteter Wärmeübertrager (Prototyp II) mit den Maßen von 400x400x600 mm auf dem Teststand untersucht worden. Auf Grund der Erfahrungen aus der Zusammenarbeit mit Bosch innerhalb des Projektes erscheint eine Würfelform des Wärmeübertragers mit gleichen Kantenlängen als geeigneter für den Einsatz in einem Lüftungsgerät. Daher wurde nach weiteren Wärmeübertrager-Herstellern recherchiert, die geeignete Wärmeübertrager anbieten. Die Firma Enerko fertigt Wärmeübertrager, von denen auf Grund der Kanalgeometrie eine verbesserte Verdunstungskühlung erwartet wurde. Die Wärmeübertrager weisen mit einerseits 4,5 mm und 9 mm unterschiedliche Kanalabstände auf. Deshalb erfolgte die Auswahl dieses Wärmeübertragers. Das Gewicht eines unbeschichteten Wärmeübertragers mit den Maßen 400x400x400 mm beträgt 8250 g. Der Wärmeübertrager verfügt über eine Aluminiumwelle als Abstandshalter zwischen den einzelnen Kanälen. Der Aufbau und eine vergrößerte Darstellung der Kanäle ist in der Abbildung 33 dargestellt. Das Ziel war es, den Wärmeübertrager durch die Firma SorTech beschichten zu lassen. Bedingt durch die Geometrie des Enerko Wärmeübertragers war es trotz mehrfacher Beschichtungsversuche durch SorTech leider nicht möglich, eine Silikagelbeschichtung in der angestrebten Qualität zu erreichen. Der Enerko-Wärmeübertrager wurde trotzdem auf dem Teststand charakterisier. Insbesondere war hier die Untersuchung der Verdunstungskühlung von besonderem Interesse. Eine Beschreibung der Ergebnisse ist dem Abschnitt 3.7 zu entnehmen. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

59 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 33: Wärmeübertrager 2 (Hersteller Enerko) Prototyp IV Auf Grund der oben beschriebenen Probleme wurde daher entschieden, noch einen Wärmeübertrager des Herstellers Klingenburg, diesmal jedoch mit 400 er Kantenmaß, von SorTech beschichten zu lassen. Die gewählte Baugröße entspricht damit auch der Wärmeübertragergröße, die in einem Lüftungsgerät Anwendung finden würde und bereits auf dem Teststand bei Bosch als auch im ECOS-Lüftungsgerät am SERIS im Einsatz sind. Die Masse des unbeschichteten Wärmeübertragers für den Prototyp IV des Herstellers Klingenburg beträgt 6990 g. Die Abbildung 34 und Abbildung 35 zeigen die Geometrie des Prototyp IV, die Beschichtung der Zuluftkanäle mit Silikagel sowie die Abstandsprägungen, mit denen der Kanalquerschnitt definiert wird. Abbildung 34: Prototyp IV Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

60 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 35: Prototyp IV: Silikagelbeschichtung (links) und Abstandsprägungen (rechts) 3.5 Vermessung von Wärmeübertragern Für die Charakterisierung der untersuchten Wärmeübertrager wurden nacheinander verschiedene Untersuchungen vorgenommen. Die separate Untersuchung der einzelnen Einflussfaktoren ermöglichte es, sowohl das Verständnis der einzelnen Prozesse aufzubauen als auch als Grundlage für die Validierung der Simulation zu dienen. Dazu gehörte zunächst die Messung der Wärmeübertragung, anschließend die Untersuchung der indirekten Verdunstungskühlung. Nachdem diese Grundlagenuntersuchungen abgeschlossen waren, wurden die eigentlichen Messungen der sorptiven Entfeuchtung und Zuluftkühlung vorgenommen Untersuchungen der sorptiv beschichteten Wärmeübertrager- Prototypen Bei den durchgeführten experimentellen Untersuchungen am Wärmeübertrager- Prototyp handelte es sich sowohl um Langzeittests der einzelnen Phasen, jeweils bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustandes, als auch um Tests mit unterschiedlichen Zyklenzeiten. Das Ziel dieser Untersuchungen war das Verständnis des Adsorptionsund Desorptionsverhaltens der gesamten Wärmeübertragerkomponente sowie die Untersuchung des Einflusses verschiedener Kühloptionen. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

61 3.5.2 Bewertungsparameter zur Charakterisierung von Wärmeübertragern sowohl mit als auch ohne sorptiver Beschichtung Betrachtung der Wärmeübertragung Für die Charakterisierung von Wärmeübertragern wird die Wärmeleistung angewendet, die die übertragene Energiemenge anhand der Temperaturdifferenz der Luft zwischen Eintritt und Austritt der Sorptionsseite berechnet. Zur Berechnung wird die folgende Formel angewendet, wenn nur die reine Wärmeübertragung betrachtet wird. Dabei ist n die Anzahl der geloggten Messintervalle, die zur Berechnung des quasi-stationären Betriebspunktes berücksichtigt werden. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Wird jedoch noch der Effekt der indirekten Verdunstungskühlung, und somit die Phasenänderung des verdunsteten Wassers berücksichtigt, dann muss die folgende Formel angewendet werden: Tabelle 12: Zuordnung der Ein- bzw. Ausgangstemperaturen Bezeichnung Teststand Bezeichnung Formeln Einheit [ C] [ C] [ C] [ C] Zur Berechnung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung wird die Temperaturdifferenz des Ein- und Austritts der Zuluftseite mit der maximalen Temperaturdifferenz aus Zulufteintritt und Fortlufteintritt ins Verhältnis gesetzt. Die Berechnung der bei der Wärmeübertragerdimensionierung üblichen Number of Transfer-Units (NTU) muss zunächst die Bestimmung der mittleren Temperaturdifferenz aus den Ein- und Ausgangstemperaturen erfolgen: ( ) ( ) [ ( ) ] ( Die Berechnung der dimensionslosen mittleren Temperaturdifferenz : Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

62 Die Formel zur Bestimmung der dimensionslosen mittleren Temperaturdifferenz gilt in dieser Form jedoch nur für Gleich- und Gegenstromwärmeübertrager. Daher muss an Hand des VDI Wärmeatlas mit Hilfe des ermittelten Wirkungsgrades und dem Verhältnis des Wärmekapazitätsstroms R ein Korrekturfaktor F ermittelt werden. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Damit ergibt sich die korrigierte dimensionslose mittlere Temperaturdifferenz, welche sich durch Multiplikation des Korrekturfaktors F mit der dimensionslosen mittleren Temperaturdifferenz berechnet: Der Wert für NTU ergibt sich dann mit folgender Formel: Unter Nutzung der NTU lässt sich dann die Wärmedurchgangszahl k berechnen, welche häufig für den Vergleich von Wärmeübertragern genutzt wird. Wird wie im vorliegenden Fall die Wärmeübertragung mit gleichzeitig ablaufender indirekter Verdunstungskühlung betrachtet, so muss berücksichtigt werden, dass durch den Effekt der Verdunstung auf der Abluftseite die Kühlgrenztemperatur als Grenzparameter auftritt. In diesem Fall wird dann, vergleichbar dem Wirkungsgrad ε bei der reinen Wärmeübertragung, von einer modifizierten Rückwärmezahl gesprochen. Für die Berechnung wird die tatsächliche Temperaturdifferenz der Zuluft mit der maximal möglichen Differenz, bedingt durch die Kühlgrenztemperatur, ins Verhältnis gesetzt: Betrachtung von Ad- und Desorptionsvorgängen Adsorbierte Wassermasse Die absolute adsorbierte Wassermasse gibt an, wie viel Wasser während der Adsorption an das Adsorbens gebunden wird und kann aus dem Produkt der Feuchteänderung und des Massenstroms der trockenen Luft bestimmt werden. Die adsorbierte Wassermasse wird wie folgt berechnet. Dabei ist t Mi ist die Dauer eines Messintervalls (hier 5 Sekunden). ( ) ( ) Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

63 Desorbierte Wassermasse Analog zur Bestimmung der adsorbierten Wassermasse wird die Berechnungsgleichung für die desorbierte Wassermasse für den Zeitraum der Desorption aufgestellt: Bericht Teilprojekt 2 Neues, ( ) ( ) Stoffbilanz Betrachtet man die Stoffbilanz des adsorbierten und desorbierten Wassers über eine Anzahl von Zyklen, so stimmt bei idealer Stoffbilanz die adsorbierte Wassermasse mit der desorbierten überein. Auf Grund des Versuchsaufbaus am Teststand ist ein idealer Prozess nicht möglich. In den meisten Fällen ist die desorbierte Wassermasse größer als die adsorbierte Masse. Bedingt wird dies durch das Luftvolumen, welches sich während der Zwischenkühlphase im Wärmeübertrager befindet und bereits entfeuchtet wird. Damit wird die während der Adsorptionsphase nutzbare Kapazität bereits verringert. Mittlere Entfeuchtung Der Wert der mittleren Entfeuchtung gibt die über die Dauer der Adsorptionsphase gemittelte Differenz des Wasserdampfgehaltes zwischen Eintritt und Austritt der Luft aus der Sorptionsseite des Wärmeübertragers an. Dazu wird über den Zeitraum der Adsorption der Mittelwert der gemessenen Eintritts- und Austrittsfeuchten gebildet. Mittlere Abkühlung Ähnlich der mittleren Entfeuchtung wird die mittlere Temperaturabsenkung auf der Zuluftseite berechnet. Adsorptions-Wärmemenge Die dem Zuluftstrom entzogene Wärmemenge in der Adsorptionsphase berechnet sich aus dem Produkt des Massenstroms, der Enthalpiedifferenz und der Dauer des Messintervalls. Dabei ist t Mi wieder die Dauer eines Messintervalls (hier 5 Sekunden). ( ) Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

64 Mittlere Kühlleistung Zur Berechnung der mittleren Kühlleistung wird die Adsorptions-Wärmemenge Q Ads auf die Dauer der Adsorptionsphase t Ads bezogen. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Desorptions-Wärmemenge Die für die Desorption eingesetzte Wärmemenge ergibt sich unter Berücksichtigung der Erwärmung der Außenluft von der Umgebungslufttemperatur auf die Eintrittstemperatur der Luft in die Sorptionsseite des Wärmeübertragers während der Desorption. ( ) ( ) ( ) ( ) Coefficient of Performance - COP Zur Berechnung der thermischen Leistungsziffer des Systems (COP th ) wird durch das Wärmeverhältnis zwischen Adsorption und Desorption beschrieben: Untersuchungen verschiedener Kühloptionen an Prototyp I Grundsätzlich ist sind drei unterschiedliche Betriebsarten des Sorptionsprozesses denkbar: die adiabate (ungekühlte) Adsorption, die luftgekühlte Adsorption (ohne Verdunstungskühlung) und die verdunstungsgekühlte Adsorption. Zur Untersuchung dieser verschiedenen Kühloptionen wurden mit dem Prototyp I drei verschiedene Versuchsreihen während der Adsorptionsphase durchgeführt (vgl. Abbildung 36). Während der Versuche wurden die folgenden Parameter für die 3 Luftströme entsprechend den in der folgenden Tabelle 13 angegebenen Grenzen eingestellt. Der Luftvolumenstrom lag jeweils bei 400 m³/h. Tabelle 13: Luftzustände während der Versuchsreihen Luftstrom Temperatur [ C] Feuchtegehalt [g/kg] Simulierte Außenluft (simamba) Simulierte Raumabluft (simrooa) Desorptionsluft (desa) ,5-16, ,0-11,0 60 und 70 14,5-16,0 Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

65 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 36: Schematische Darstellung der 3 Versuchsreihen In Versuchsreihe 1 erfolgte keine Kühlung des Adsorptionsprozesses: die Abluftkanäle des Wärmeübertragers wurden nicht durchströmt. In Versuchsreihe 2 erfolgte eine Kühlung über die Abluft, welche witterungsbedingt mit 32 C relativ warm war. In Versuchsreihe 3 erfolgte eine indirekte Verdunstungskühlung auf der Abluftseite. Bei allen Versuchen wurden die Randbedingungen wie Regenerationstemperatur (T reg 72 C), Luftvolumenstrom (400 m³/h), Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit konstant gehalten. Abbildung 37 zeigt den Zeitverlauf des Entfeuchtungsgrades für die drei unterschiedlichen Versuchsreihen. Der Entfeuchtungsgrad ƞ x stellt die erreichte Feuchtedifferenz zwischen Eintritt x SoS,in und Austritt x SoS,out bezogen auf die Eintrittsfeuchte x in dar. Die Abbildung 38 zeigt die in der Zuluft erreichte Temperaturdifferenz zwischen dem Eintritt und Austritt des Wärmeübertragers (T SoS,in - T SoS,out ), ebenfalls für die drei Versuchsreihen. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

66 temperature difference [ C] dehumidification efficiency adiabatic adsorption (no cooling) air cooled adsorption evaporatively cooled adsorption Bericht Teilprojekt 2 Neues, time [s] Abbildung 37: Verlauf des Entfeuchtungsgrades ƞ x für die unterschiedlichen Kühloptionen (ungekühlt, luftgekühlt und indirekte Verdunstungskühlung) time [s] adiabatic adsorption (no cooling) air cooled adsorption evaporatively cooled adsorption Abbildung 38: Verlauf der Temperaturdifferenz der Luft zwischen Eintritt und Austritt des Wärmeübertragers für die unterschiedlichen Kühloptionen (ungekühlt, luftgekühlt und indirekte Verdunstungskühlung) Mit der in den Diagrammen dargestellten Box ist der Zeitbereich von 100 bis 360 s gekennzeichnet, in dem sowohl die erreichte Entfeuchtung als auch der erzielte Kühleffekt deutlich werden. Mit dem im vorliegenden Fall genutzten Adsorbens würde eine Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

67 Prozessumschaltung zur Desorption ebenfalls nach etwa 360 bis 400 s sinnvoll erscheinen. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Auf Grund des zu Beginn der Adsorptionsphase noch sehr trockenen Sorptionsmaterials kommt es zu Beginn zu einem verhältnismäßig hohen Entfeuchtungsgrad. Mit zunehmender Zeit sinkt der Entfeuchtungsgrad erwartungsgemäß infolge der zunehmenden Beladung des Sorptionsmaterials ab. Aus dem Vergleich der drei Kurven wird der Einfluss der unterschiedlichen Kühloptionen deutlich; mit der indirekten Verdunstungskühlung lässt sich der höchste Entfeuchtungsgrad erreichen. Wird für den Versuch mit indirekter Verdunstungskühlung der Zeitraum zwischen 90 und 360 s betrachtet, so konnte bei einer Eintrittsfeuchte von 15 g/kg eine Entfeuchtung auf 7,6 bis 10,7 g/kg erreicht werden. Der Entfeuchtungsgrad lag damit im Bereich von 0,49 bis 0,31. Aus dem Verlauf der zwischen dem Eintritt und dem Austritt des Wärmeübertragers erreichbaren Temperaturdifferenz sind unterschiedliche Ergebnisse ableitbar. Während der ersten 100 s zu Beginn kommt es, bedingt durch die in den Anschlussstücken des Wärmeübertragers gespeicherte Wärme aus der Desorptionsphase, zu sehr hohen Werten. Während dieser Phase wird die Temperatur der zuströmenden Außenluft noch durch die in den Anschlussstücken gespeicherte Wärme angehoben. Erst etwa in dem durch die Box markierten Zeitraum wird dieser Einfluss geringer und der eigentliche Effekt der unterschiedlichen Kühloptionen wird deutlich. Hierbei zeigt sich, dass durch die indirekte Verdunstungskühlung eine Absenkung der Zulufttemperatur unter die Eintrittstemperatur erreicht werden kann: die mit der indirekten Verdunstung erreichbare Kühlleistung übersteigt die frei werdende Adsorptionswärme, wodurch der Zuluft zusätzlich Wärme entzogen werden kann und diese entsprechend gekühlt wird. Weitere Untersuchungen zum Verständnis des thermischen Verhaltens erfolgten unter Nutzung der zusätzlich im Inneren des Wärmeübertragers angeordneten 5 Temperatursensoren. Deren prinzipielle Anordnung ist der Abbildung 39 zu entnehmen (Ziffern 1 bis 5 im gelben Rahmen). Die Messergebnisse sind in der Abbildung 40 dargestellt, wobei das linke Diagramm die Messdaten der internen Temperatursensoren beinhaltet und das rechte Diagramm nochmals im Vergleich die vor und nach dem Wärmeübertrager gemessenen Lufttemperaturen enthält. Insbesondere aus dem Vergleich des Temperaturverlaufes während der Zwischenkühlphase bis zu einem Zeitpunkt von etwa 22 min wird deutlich, dass die Abkühlung des Wärmeübertragers verhältnismäßig schnell abläuft während hingegen die Zu- und Abströmbereiche (Wärmeübertrager- Anschlussstücke) noch durch die Desorptionsphase stark erwärmt sind. Diese Problematik muss bei einer späteren Umsetzung in einem Lüftungsgerät beachtet werden, indem hier die thermischen Massen möglichst gering gehalten werden. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

68 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 39: Aufbau des Prüfstandes mit Anordnung der Sensoren (interne Sensoren 1 bis 5 im Inneren des Prüflings) Abbildung 40: Vergleich der Temperaturen im Inneren des Wärmeübertragers (links) mit denen der Außen- und Zuluft (rechts) Am sorptiv beschichteten Wärmeübertrager-Prototyp wurden umfangreiche Versuchsreihen zur Untersuchung der Entfeuchtungs- und Kühlleistung durchgeführt. An Hand einer ausgewählten Versuchsreihe werden im Folgenden die Versuchsergebnisse dargestellt. Die hierbei vorgenommenen Untersuchungen erfolgten unter folgenden Randbedingungen. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

69 Tabelle 14: Luftparameter während der Untersuchungen Parameter Volumenströme (SoS_in und WS_in) Wert 400 m³/h Bericht Teilprojekt 2 Neues, Raumablufttemperatur T WS,in 28 C Raumabluftfeuchte x SoS,in Außenluftfeuchte x SoS,in 12 g/kg 12 g/kg Die Diagramme in Abbildung 41 zeigen an Hand einer ausgewählten Zeitreihe für einen kompletten Zyklus jeweils den zeitabhängigen Verlauf der Wasserdampfbeladung und der Lufttemperatur jeweils für die Außenluft (SoS_in) und die Zuluft (SoS_out). Die Diagramme starten mit der Zwischenkühlungsphase bis zu einem Zeitpunkt von etwa 22 min. Daran schließt sich die Adsorptionsphase bis zu einem Zeitpunkt von etwa 68 min an, danach folgt die Desorptionsphase. Betrachtet man die gesamte Adsorptionsphase, so wird eine mittlere Entfeuchtung von 1.9 g/kg und eine mittlere Temperaturabsenkung um 6.7 K erreicht. Hierbei muss aber berücksichtigt werden, dass die Untersuchungen bis nahe des erreichbaren Gleichgewichtszustandes durchgeführt wurden. Bei einer realistisch verkürzten Zyklenzeit ergeben sich höhere mittlere Entfeuchtungswerte aber auch eine geringere mittlere Temperaturabsenkung. Abbildung 41: Messergebnisse am sorptiv beschichteten Wärmeübertrager-Prototyp für einen kompletten Zyklus, bestehend aus Zwischenkühlung, Adsorption und Desorption. Darstellung der Außen- und Zuluftparameter Wasserdampfbeladung (links) und Luft-temperatur (rechts) Untersuchung der Entfeuchtungsleistung des Prototyps I und deren Abhängigkeit von verschiedenen Parametern Die Abbildung 42 zeigt exemplarisch die mittlere Entfeuchtung bei drei unterschiedlichen Zuluftmassenströmen. Die Zyklendauer der Versuche betrug 40 min, der Desorptionsmassenstrom wurde dabei auf 450 kg/h festgelegt und die Desorptionstemperatur betrug 65 C. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

70 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 42: Verlauf der absoluten Feuchte in Abhängigkeit unterschiedlicher Massenströme während der Adsorptionsphase Die Auswertung der Versuche ergibt die folgenden, in der Tabelle 15 dargestellten Werte für die mittlere erreichbare Entfeuchtung und die adsorbierte Wassermenge. Daraus wird deutlich, dass mit der Reduzierung des zu entfeuchtenden Luftmassenstrom eine erhöhte Entfeuchtung zu erreichen ist, jedoch die adsorbierte Wassermasse bei einem höheren Volumenstrom entsprechend höher ist. Dies entspricht dem thermodynamisch zu erwartenden Effekt entsprechend der Annäherung an das Gleichgewicht. Tabelle 15: Mittlere Entfeuchtung und adsorbierte Wassermasse in Abhängigkeit des Massenstromes Zuluftmassenstrom in kg/h Adsorbierte Wassermasse in kg Mittlere Entfeuchtung in g/kg 250 0, ,504 4, ,505 3,3 Abschluss der Messungen am Prototyp I Nach den Langzeituntersuchungen an dem mit dem Silikagelpapier beschichteten ersten Wärmeübertrager-Prototyp erfolgten auch Untersuchungen mit verkürzter Zyklendauer. Der Zeitraum eines Zyklus umfasst die drei Phasen Adsorption, Desorption und Zwischenkühlung, wobei die Dauer der Adsorption der Summe von Desorption und Zwischenkühlung entspricht. Dies ist notwendig, da bei der Anwendung in einem Ge- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

71 rät diese Prozesse bei den beiden Wärmeübertragern zeitlich versetzt ablaufen. Bei einem Volumenstrom von 400m³/h, einer Zulufttemperatur von 32 C und einer Feuchtebeladung von 12g/kg wurde resultierend aus der Desorptionstemperatur von 80 C eine optimale Zyklendauer von 40 min bestimmt (20min Adsorption, 13min Desorption, 7min Zwischenkühlung). Die hier erreichte mittlere Entfeuchtung innerhalb des Adsorptionszeitraumes lag bei etwa 3.8g/kg. Eine Verringerung der Desorptionstemperatur auf 65 C hatte eine Verringerung der mittleren Entfeuchtung auf 3.3 g/kg und gleichzeitig eine Verlängerung der optimalen Zyklenzeit auf 44 min zur Folge. Zusätzlich wurden Untersuchungen mit einer Desorptionstemperatur von nur 45 C vorgenommen. Auch hierbei konnte noch eine mittlere Entfeuchtung von 2.0 g/kg erreicht werden. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Messungen am Wärmeübertrager Prototyp II Vergleich der Ergebnisse mit dem Prototyp I Vergleich der Wärmeübertragung Die durchgeführten Untersuchungen erfolgten bei gleichen Randbedingungen, d.h., bei gleichem Massenstrom und gleichen Temperaturen wie die Versuche an Prototyp I. Damit sind die Versuche miteinander vergleichbar. Die Abbildung 43 zeigt die Ergebnisse der Effizienz der Wärmeübertragung und den resultierenden Wärmeübertragungskoeffizient im Vergleich zwischen Prototyp I (A) und Prototyp II (B, C), gemessen bei unterschiedlichen Temperaturpaaren von Außenluft und Abluft (erste und zweite Zahl in der Klammer). Unter der Voraussetzung, dass die Wärmekapazität beider Fluidströme als annähernd gleich angenommen wird, wird die Effizenz der Wärmeübertragung wie folgt berechnet: P T Außenluft Zuluft. T Außenluft T T Abluft Das Diagramm zeigt leicht bessere Werte der reinen Wärmeübertragung für den Prototyp I. Dies ist auf folgende Ursachen zurückzuführen: die Konstruktion des Prototyp I mit einem Wellenprofil als Abstandshalter zwischen den Kanälen führt zu einem besseren Wärmeübergang, da eine laterale Vermischung des Luftstromes innerhalb der Kanäle verhindert wird (vgl. auch VDI Wärmeatlas) die Sorptionsschicht bei Prototyp II ist dicker als bei Prototyp I (schlechtere Wärmeleitung) Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

72 Name der Messung [ C] [ C] [kg/h] T Abluft [ C] [ C] x Abluft [ C] [min] kühlung [min] [min] Name der Messung [ C] [ C] [kg/h] T Abluft [ C] [ C] x Abluft [ C] [min] kühlung [min] [min] Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 43: Effizienz der Wärmeübertragung (links) und Wärmeübergangskoeffizent k (rechts) - Vergleich zwischen Prototyp I (A) und Prototyp II (B, C) Weiterhin zeigt das rechte Diagramm die aus den Messungen resultierenden Wärmeübergangskoeffizienten k für verschiedene Temperaturpaare. Hieraus wird ebenfalls deutlich, dass der Prototyp I, insbesondere bei größeren Temperaturdifferenzen, einen höheren Wärmeübertragungskoeffizienten besitzt. Vergleich der gekoppelten Prozesse von sorptiver Entfeuchtung und Kühlung Für den Vergleich der beiden Wärmeübertrager bezüglich der Entfeuchtungsleistung sowie der erreichbaren Kühlung der Zuluft wurden einzelne Referenzmessungen ausgewählt, die jeweils in der Tabelle 16 und der Tabelle 17 aufgeführt sind. Tabelle 16: Referenzmessungen mit Prototyp I m T Desorption T Außenluft x Außenluft t Desorption T Zwischen- T Adsorption PJ2-A PJ3-A Tabelle 17: Referenzmessungen mit Prototyp II m T Desorption T Außenluft x Außenluft t Desorption T Zwischen- T Adsorption PJ PJ PJ Die in der Abbildung 44 dargestellten Ergebnisse der mittleren Entfeuchtungsleistung sowie der thermischen Effizienz (Coefficient of Performance COP th ) zeigen bei beiden Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

73 Parametern deutlich bessere Werte für den Prototyp II. Die Ursache für die höhere Entfeuchtungsleistung liegt in der größeren Menge an Adsorbens bei Prototyp II. Der höhere COP th von Prototyp II ist auf die geringere thermische Masse im Vergleich zum Prototyp I zurückzuführen, weil dadurch insbesondere die für die Desorption notwendige Wärme effektiver genutzt wird. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 44: Vergleich der beiden Prototypen (PT I und PT II): Entfeuchtungsleistung (links) und thermische Effizienz COP th (rechts) bei Desorptionstemperaturen von 65 und für 80 C und einem Wasserdampfgehalt von x SoS,in = 12 g/kg Die am Prototyp II gewonnenen Messergebnisse zeigen deutlich die bessere Performance dieses Wärmeübertragers im Vergleich zum Prototyp I. Damit lag erstmals ein sorptiv beschichteter Luft-Luft Wärmeübertrager vor, der bezüglich der Fertigung den Stand der Technik repräsentiert. Sowohl das Ausgangsprodukt, der reine Plattenwärmeübertrager mit einer temperaturbeständigen Dichtung bzw. Klebung, als auch der Beschichtungsprozess mit dem Sorptionsmaterial basieren auf Erfahrungen nach Stand der Technik und konnte daher ohne übermäßigen Aufwand hergestellt werden. Dies stellt damit einen entscheidenden Schritt hin zur Entwicklung eines sorptionsgestützten Lüftungsgerätes dar. Eine weitere Beschreibung einer Variation von Randbedingungen an Prototyp II wird in Abschnitt in Zusammenhang mit der Simulation diskutiert Vergleich der Wärmeübertragerprototypen I bis III Eine Übersicht der wesentlichen Daten der Wärmeübertrager ist der Tabelle 11 zu entnehmen. Die im Vergleich zu Prototyp I und II geringere Wärmeüberfläche von Prototyp III wurde bei den Untersuchungen auch insofern berücksichtigt, dass u.a. die Durchströmung mit einem geringeren Volumenstrom vorgenommen wurde. Dabei wurde das Verhältnis des Luftvolumenstroms zu der Wärmeübertragerfläche beibehalten, um eine Vergleichbarkeit herstellen zu können. Wie bereits bei früheren Untersuchungen festgestellt wurde, hat die Kanalgeometrie des Wärmeübertragers einen entscheidenden Einfluss auf das Verhalten der Wärmeübertragung. Aus der Abbildung 45 werden die Unterschiede der beiden Kanalgeometrien deutlich. Während bei Prototyp I und III das zwischen den Blechen liegende Wellenprofil die Strömung maßgeblich beeinflusst und damit eine Quervermischung inner- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

74 halb des Kanals verhindert, ermöglicht die Abstandsprägung in Prototyp II die Quervermischung. Nach VDI Wärmeatlas führen laterale Vermischungen zu einer Verschlechterung des Übertragungsverhaltens. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 45: Vergleich der Kanalgeometrien der Wärmeübertrager (links: Wellenprofil in Prototyp I und III, rechts: Abstandsprägung in Prototyp II) Vergleich der Wärmeübertragung an Prototyp I bis III Die Abbildung 46 zeigt die Ergebnisse der Untersuchungen zur Wärmeübertragung der drei Prototypen im Vergleich. Trotz der unterschiedlichen Randbedingungen bezüglich der Massenströme bei den Versuchen sind die Ergebnisse grob miteinander vergleichbar, auch weil die Eingangsparameter bzgl. der Temperaturen bei allen Versuchen ähnlich waren. Aus den Grafiken zur Effizienz der Wärmeübertragung und der Wärmedurchgangszahl wird deutlich, dass der Prototyp III jeweils das beste Verhalten aufweist. Als Ursache hierfür werden verschiedene Einflussgrößen betrachtet. Einerseits ist das Verhältnis der Masse des Sorptionsmaterials zu der Wärmeübertragerfläche hier niedriger als bei den beiden vorherigen Wärmeübertragern. Dies führt zu einer höheren Wärmeleitfähigkeit aufgrund geringerer Schichtdicke. Andererseits führen die Abstandswelle und der geringere Kanalabstand zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen und damit zu einem höheren Wärmeübergangskoeffizienten. Die Abstandswelle war in Prototyp III aus Aluminium, so dass auch eine positive Beeinflussung des Wärmeübertragungsverhaltens durch eine Rippenwirkung der Abstandswelle nicht auszuschließen ist. Tabelle 18: Randbedingungen der Wärmeübertragungsversuche an den Prototypen Prototyp Versuchsnr. Datum T WS_in T SoS_in m-dot SoS m-dot WS [ C] [ C] [kg/h] [kg/h] I A1-37,4 25, I A2-52,7 26, II D ,2 26, II D ,8 26, III V ,07 26, III V ,05 26, Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

75 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 46: Vergleich des Wärmeübertragungsverhaltens der Prototypen I, II und III Untersuchung von Prototyp IV Auswertung der Variation der Zyklenzeit Zur Bestimmung der optimalen Zyklenzeit muss einerseits die optimale Adsorptionszeit und andererseits die optimale Zwischenkühlzeit bestimmt werden. Dazu wurden verschiedene Versuchsreihen für Zyklenzeiten zwischen 11 und 27 min durchgeführt. Die Randbedingungen wurden jeweils konstant bei einer SoS-Eintrittstemperatur von 32 C, einer WS-Eintrittstemperatur von 26 C und einer Desorptionstemperatur von 65 C gehalten. Die absolute Feuchte betrug bei allen drei Luftströmen 14,5 g/kg. Die Ergebnisse der mittleren Entfeuchtung und der Kühlleistung sind in der Abbildung 47 dargestellt. Das Maximum der Entfeuchtung kann daraus bei einer Adsorptionszeit von etwa 21 min bestimmt werden. Abbildung 47: Mittlere Entfeuchtung (links) und Kühlleistung (rechts) bei einer Variation der Zyklenzeit Auf Grund dessen, dass die Dauer der Adsorptionszeit die Summe aus Desorptions- und Zwischenkühlzeit darstellt, erfolgte die Untersuchung der erreichbaren Kühlleis- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

76 tung als Bewertungskriterium. Der Einfluss der Zwischenkühlzeit auf die Zulufttemperatur (SoS-out) ist in der Abbildung 48 dargestellt. Hieraus wird deutlich, dass bei einer Zwischenkühlzeit nvon nur einer Minute ca. 3 Minuten in der Adsorptionsphase benötigt werden, um die Zulufttemperatur auf 32 C zu senken. Bei einer Zwischenkühlzeit von zwei Minuten werden die 32 C nahezu ohne Verzögerung erreicht. Da neben der Entfeuchtungsleistung auch die Vermeidung von Temperaturspitzen zu Beginn der Adsorptionsphase erwünscht ist, stellt eine Zwischenkühlzeit von 2 min ein Optimum dar. Damit ergibt sich als optimaler Betriebspunkt für den Prototyp IV bei einer Desorptionstemperatur von 65 C eine Adsorptionszeit von 21 min, eine Desorptionszeit von 19 min und eine Zwischenkühlzeit von 2 Minuten. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 48: Abhängigkeit der Zuluft-Temperatur (T SoS,out ) von der Zwischenkühlzeit Einfluss der Desorptionstemperatur Da Silikagel bezüglich der Desorptionstemperatur ein breites Arbeitsspektrum aufweist, wurde eine Versuchsreihe mit Desorptionstemperaturen von 55 C, 65 C und 75 C durchgeführt. Für die Auswertung und Bestimmung der optimalen Desorptionstemperatur wurden sowohl die erreichte mittlere Entfeuchtung als auch der COP th betrachtet. Die Ergebnisse sind in der Abbildung 49 dargestellt. Es zeigt sich, dass sich beide Parameter gegenläufig verhalten. Die mittlere Entfeuchtung steigt mit zunehmender Desorptionstemperatur an. Die Abnahme des COP th ist hingegen ein Indikator dafür, dass diese zusätzlich erreichte Entfeuchtungsleistung durch einen zu dieser Zunahme überproportionalen Einsatz von Desorptionswärme erreicht wird. In der realen Anwendung wird die Desorptionstemperatur nicht immer frei wählbar sein, sondern z.b. vom Solardargebot abhängen. Die Untersuchung zeigt aber, dass die mittlere Entfeuchtung und der COP th eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Desorptionstemperatur aufweisen. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

77 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 49: Abhängigkeit von mittlerer Entfeuchtung und COP bei Variation der Desorptionstemperatur Betrachtung des ECOS-Lüftungsgerätes Entsprechend der Vorhabensbeschreibung (AP 7) war innerhalb des Projektes der Bau eines Geräteprototyps durch den ursprünglichen Projektpartner Vaillant GmbH vorgesehen. Dieser sollte dann in Verbindung mit einer Solaranlage getestet und bewertet werden. Nach dem Ausstieg von Vaillant aus dem Verbundprojekt und dem Einstieg der Robert Bosch GmbH hatten sich auch die Randbedingungen etwas verändert. Der beim Projektpartner Robert Bosch GmbH aufgebaute Technologie-Demonstrator (Geräteprototyp/Testgerät) konnte auf Grund seiner Baugröße nicht transportiert werden. Außerdem ist bei Bosch ein leistungsfähiger Lüftungsteststand vorhanden. Aus diesem Grund wurde beschlossen, das von Bosch aufgebaute Testgerät nicht ans Fraunhofer ISE zu transportieren. Der Realtest zur Evaluierung des Lüftungsgerätes in Verbindung mit einer Solaranlage, entsprechend AP 8 konnte deshalb nicht realisiert werden. Jedoch wurde ein Simulationsmodell erstellt, um das Verhalten eines Gesamtsystems in Bezug auf einen Jahresbetrieb beurteilen zu können. 3.6 Modellierungen des Sorptionswärmeübertragers sowie eines ECOS-Lüftungsgerätes Dynamische Modellierung Um ein genaueres Verständnis der Prozesse der Wärme- und Stoffübertragung bei der Adsorption und Verdunstung im Sorptionswärmeübertrager zu erlangen, wurde die Methodik der thermodynamischen Modellierung angewandt. Für die numerische Simulation des sorptiv beschichteten Wärmeübertragers wurde ein dynamisches Modell in der objektorientierten Modellierungssprache Modelica entwickelt. Das Modell besteht im Wesentlichen aus drei Elementen: einem Adsorptionsvolumenelement, welches die Modellierung des Luftvolumens und des Sorptionsmaterials beinhaltet, einem Kühlvo- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

78 lumenelement, welches die Modellierung der Verdunstung aus einem die Oberfläche benetzenden Wasserfilm beschreibt, und einer die beiden Volumenmodelle verbindenden Wärme leitenden Wand. Dieser grundsätzliche Aufbau eines einzelnen Wärmeübertragerknotens (Grundmodell) ist in Abbildung 50 schematisch dargestellt. Aufgrund von Symmetriebetrachtungen wird der Sorptionswärmeübertrager durch einen Halbkanal beschrieben. Durch Verknüpfung der einzelnen Grundmodelle können unterschiedliche Strömungskonfigurationen (Gleichstrom, Gegenstrom, Kreuzstrom) nachgebildet werden. Abbildung 51 zeigt die zur Modellierung der Prototypen relevante Verknüpfung zu einem Kreuzstrom-Wärmeübertrager. Für eine genauere Beschreibung der Modellgleichungen und deren Herleitung wird auf [Bongs 2013] verwiesen. Die folgende Zusammenfassung wichtiger Ergebnisse der Simulation ist in weiten Teil ebenfalls dieser Dissertation entnommen [Bongs 2013]. Bericht Teilprojekt 2 Neues, PROZESSLUFT SORPTIONS- MODELL SORPTIONS MATERIAL MODELL WAND PROZESSLUFT Y X VERDUNSTUNGS- MODELL Y X KÜHLLUFT Abbildung 50: Schematische Darstellung der Modellierung des Einzelelements des Sorptions-Wärmeübertragers KÜHLLUFT Abbildung 51: Schematische Darstellung der Diskretisierung eines Kreuzstrom-Wärmeübertragers in einzelne Elemente Kalibrierung und Validierung des dynamischen Modells Das dynamische Modell wurde anhand von experimentellen Daten der Prototypen I und II validiert. Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf die Modellierung von Prototyp II. Zur Modellkalibrierung wurde zunächst eine Messung am Standardbetriebspunkt (vgl. Tabelle 21) herangezogen. Die im Rahmen der Modellkalibrierung für den verdunstungsgekühlten Sorptionsprozess ermittelten Übergangsparameter und die Parametrisierung von Prototyp II in der Simulation sind in Tabelle 19 aufgeführt. Die im Folgenden dargestellten Simulationen wurden mit einer Diskretisierung des Wärmeübertragers in 5x5 Elemente (insgesamt 5x5=25 Wärmeübertragerknoten) gerechnet. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

79 Tabelle 19: Parametrisierung von Prototyp II in der Simulation (S: Sorption, V: Verdunstung) Diskretisierung m Ads,aktiv [kg] A eff [m 2 ] [W/m 2 K] [m/s] [m/s] Bericht Teilprojekt 2 Neues, 5 x 5 7,33 16, ,0135 0,0120 Die Ergebnisse der Kalibrierungsrechnungen an zwei kurzen verdunstungsgekühlten Sorptionszyklen sind für Prototyp II in Tabelle 20 dargestellt. Die Abweichungen zwischen Messung und Simulation für die Kalibriermessung liegen bei maximal 5,3 % für die adsorbierte Wassermasse und 2,5 % für die Kühlleistung. Für mittlere Austrittstemperatur der Sorptionsseite liegt die Abweichung bei unter 0.1 K und für die mittlere Austrittsfeuchte der Sorptionsseite bei 0.1 g/kg und somit im Rahmen der Messgenauigkeit. Die Temperatur- und Feuchteverläufe dieser Rechnungen sind für alle Messstellen in Abbildung 52und Abbildung 53 dargestellt. Es sind die Verläufe in Messung und Simulation für eineinhalb eingeschwungene Zyklen mit einer Dauer des Gesamtzyklus von 60 Minuten dargestellt. Der Zyklus ist in der Reihenfolge Adsorption (0 30 Minuten), Desorption (30 53 Minuten) und Zwischenkühlphase (53 60 Minuten) abgebildet. Darauf folgt eine weitere vollständige Adsorptionsphase und der Übergang zu der nächsten Desorptionsphase. Eingangswerte in die Simulation sind die gemessenen Werte der Temperatur T SoS,ein, und Feuchte x SoS,ein und die gemessenen Massenströme am Eintritt in den Sorptionswärmeübertrager. Um eine stabile Simulation zu erreichen, wurde für den Wasserdampfgehalt der Luft am Eintritt der Sorptionsseite ein gleitendes Mittel als Simulationsinput verwendet. Die Temperaturverläufe sind in Abbildung 52 dargestellt. Die Eintrittstemperatur T S,ein fällt zunächst zu Beginn der Adsorptionsphase von etwa 54 C auf 36 C. Dies ist auf die Abkühlung der Zuströmstrecke, welche in der Desorptionsphase erwärmt wurde, und die damit verbundene Abgabe von Wärme an die Sorptionsluft vor Eintritt in den Wärmeübertrager zurückzuführen. Trotz der zu Beginn der Adsorptionsphase hohen Eintrittstemperatur kann während der gesamten Adsorptionsphase eine deutliche Abkühlung der Sorptionsluft beobachtet werden. Diese liegt während der Adsorptionsphase zwischen etwa 30 und 28 C und somit deutlich unterhalb der Eintrittstemperatur. Die Temperatur der Luft kann also während der gesamten Adsorptionsphase verringert werden. Während der Desorption steigt die Temperatur am Eintritt zunächst ebenfalls nur langsam (nicht sprungartig) an, da die Zuströmstrecke zu dem Wärmeübertrager hier wieder erwärmt wird. Die Austrittstemperatur T SoS,aus während der Desorption liegt deutlich unterhalb der Eintrittstemperatur, da Energie für die Desorption und die Erhitzung des Wärmeübertragers aufgebracht wird. Die Simulation gibt den gemessenen Temperaturverlauf in der Adsorption und der Desorption qualitativ und quantitativ richtig wieder. Da die Sensoren in der Zwischenkühlphase nicht aktiv ange- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

80 strömt werden, wird der Verlauf von Temperatur und Feuchte nicht zuverlässig gemessen. Ein Vergleich zwischen Messung und Simulation ist für die Zwischenkühlphase daher nicht sinnvoll. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 52: Kalibrierungsrechnung für Prototyp II: Temperaturverlauf auf der Sorptionsseite (S entspricht SoS: Sorptionsseite) Abbildung 53: Kalibrierungsrechnung für Prototyp II: Verlauf des Wasserdampfgehalts der Sorptionsseite (S entspricht SoS: Sorptionsseite) Die in Abbildung 53 dargestellten Feuchteverläufe zeigen einen über die Dauer der Adsorptionsphase ansteigenden Verlauf des Austrittswasserdampfgehaltes x SoS,aus der Sorptionsseite. Es ist der ungeglättete gemessene Wasserdampfgehalt der Kühl- und Sorptionsseite am Austritt des Wärmeübertragers dargestellt. Der Vergleich von Messung und Simulation zeigt für die gemessene Entfeuchtungsspitze zu Beginn der Adsorption eine sehr gute Übereinstimmung. Auch der weitere Verlauf während der Adsorption deckt sich sehr gut. Zu Beginn der Desorption zeigt der simulierte Verlauf des Wasserdampfgehaltes eine leichte Verzögerung zum gemessenen Verlauf. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Temperatur T SoS,ein, die ein Input der Simulation ist, leicht verzögert gemessen wird. Dies führt zu der leichten Verzögerung des Verlaufs des Wasserdampfgehalts x SoS,aus in der Desorption. In der Kurvenform wird die gemessene Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

81 Desorption ansonsten richtig durch die Simulation wiedergegeben. Wie zuvor diskutiert, kann der gemessene Verlauf des Wasserdampfgehalts während der Desorption wieder nicht für einen Vergleich zwischen Messung und Simulation herangezogen werden (Sensor in Zwischenkühlung nicht angeströmt). Bericht Teilprojekt 2 Neues, Tabelle 20: Ergebnisse der Kalibrierungsrechnung der Simulation für Prototyp II SoS,aus SoS,aus m Adt Ads COP th [ C] [g/kg] [g] [W] [ - ] Zyk 1: Messung 28,7 8, ,92 ± 0,3 ± 0,3 ± 70 ± 120 ± 0,05 Zyk 1: Simulation 28,6 8, ,89 Abweichung 0,1 K 0,1 g/kg 3,8 % 2,4 % 0,03 Zyk 2: Messung 28,4 8, ± 0,3 ± 0,3 ± 70 ± 120 Zyk 2: Simulation 28,4 8, Abweichung < 0,1 K 0,1 5,3 % 2,5 % - Um die Gültigkeit des parametrisierten Modells für ein breiteres Feld von Randbedingungen zu überprüfen, wurde dieses mit Eingangsdaten weiterer Messungen validiert. Die Ergebnisse der Validierung eines gesamten Messtages mit variierenden Eingangsbedingungen ist in Abbildung 54 dargestellt. Die Austrittsbedingungen der Sorptionsseite werden auch bei der vorliegenden Dynamik und den variierten Eingangsbedingungen durch das Modell zuverlässig wiedergegeben. In der Desorption sind qualitative Abweichungen auf der Kühlseite zu beobachten. Diese sind darauf zurückzuführen, dass der auftretende Effekt der Verdunstung von restlichem Wasser während der Desorption messtechnisch nicht erfasst, in der Simulation aber abgebildet wird. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

82 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 54: Validierungsrechnung für Prototyp II Beispielhafte Darstellung eines gesamten Messtages ( ), S: Sorptionsseite (SoS), V: Kühlseite mit Verdunstung von Wasser (WS) Variation der Randbedingungen Zur Untersuchung der Abhängigkeit des durch Verdunstung gekühlten Sorptionsprozesses von relevanten Randbedingungen, wurde ein breiteres Parameterfeld experimentell ermittelt. Dabei wurden Variationen um den Standardzustand der Messungen des Prototyps II durchgeführt. In dem für diese Messungen relevanten Messzeitraum konnten aufgrund hoher Außentemperaturen und fehlender Kühlmöglichkeit in der Versor- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

83 gungseinheit nur begrenzt Messungen mit niedrigen Temperaturen vorgenommen werden. Die Randbedingungen des Standardzustandes sind in Tabelle 21 aufgeführt. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Tabelle 21: Werte der Randbedingungen am Standardbetriebspunkt der Messungen T SoS,ein x SoS,ein T WS,ein x WS,ein [ C] [g/kg] [ C] [g/kg] [kg/h] [kg/h] [kg/h] 36,0 12,0 35,0 12, Der Vergleich zwischen Messung und Simulation für das gesamte Feld der Messungen an Prototyp II wird für die adsorbierte Wassermasse und die Kühlleistung in Abbildung 55 dargestellt. Jeder eingezeichnete Datenpunkt stellt dabei die Messung eines eingeschwungenen Sorptionszyklus dar. Für die adsorbierte Wassermasse streuen die Abweichungen zwischen Messung und Simulation bis zu ± 15 % um den Messwert. Für die Kühlleistung fällt diese Streuung mit ± 10 % etwas geringer aus. Diese teilweise nicht geringen Abweichungen sind auch auf die schwierige Reproduzierbarkeit aufeinander folgender Sorptionszyklen aufgrund einer nicht behebbaren Undichtigkeit des Wärmeübertragers zurückzuführen. a) b) Abbildung 55: Validierung der Simulation anhand von Messungen der adsorbierten Wassermasse (a) und der mittleren Kühlleistung (b) von Sorptionszyklen unter unterschiedlichen Randbedingungen. Im Folgenden werden die anhand dieser Messungen ermittelten Abhängigkeiten der Zielgrößen mittlere Entfeuchtung, adsorbierte Wassermasse, Kühlleistung und thermisscher COP th von den untersuchten Randbedingungen erläutert. Dies ist eine Variation der Zyklenzeit, der Wasserdampfgehalte, der Desorptionstemperatur und der Massenströme. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

84 Zyklenzeit a) b) Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 56: Variation der Zyklenzeit am Standardbetriebspunkt Vergleich zwischen Messung und Simulation Als erste Untersuchung wurde eine Variation der Zyklenzeit vorgenommen, um für die weiteren Messungen eine sinnvolle Zyklenzeit abzuleiten. Bereits aus den Versuchen zu Prototyp I wurde geschlossen, dass die Sensitivität der mittleren Entfeuchtung auf die Zyklenzeit nicht sehr stark ausgeprägt ist, da hier für Zyklenzeiten zwischen 40 und 50 Minuten keine deutlichen Unterschiede nachgewiesen werden konnten. Abbildung 56 stellt die Ergebnisse der Untersuchung der Zyklenzeitvariation an Prototyp II dar. Wie zuvor steigt die adsorbierte Wassermasse mit zunehmender Zyklenzeit. Trotz der auf Undichtigkeiten zurückzuführenden Schwankungen der Messwerte sind die Unterschiede der adsorbierten Wassermassen zwischen den einzelnen Messwerten signifikant. Wird hingegen die Kühlleistung betrachtet, so liegt diese für alle Zyklenzeiten in einem ähnlichen Bereich und es kann unter Berücksichtigung der Messungenauigkeit keine signifikante Sensitivität auf die Zyklenzeit abgeleitet werden. Für die mittlere Entfeuchtung werden für die Zyklenzeiten von 60 und 90 Minuten ähnliche Werte gemessen. Dies wird durch die Simulation bestätigt. Bei kürzeren Zyklenzeiten fällt die mittlere Entfeuchtung. Da die Unterschiede zwischen den Zyklenzeiten von 40, 50 und 60 Minuten größer sind als die Messungenauigkeit, ist die Abnahme der mittleren Entfeuchtung ein signifikanter Effekt. Wird dieser in Zusammenhang mit dem COP th betrachtet, so kann die Zyklenzeit von 60 Minuten als optimal identifiziert werden. Dies bedeutet, dass die maximale Entfeuchtung unter der Nebenbedingung des höchsten COP th erreicht wird. Die Zyklenzeit von 60 Minuten wurde für die weiteren Messungen angewandt. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

85 Eintrittsfeuchte a) b) Bericht Teilprojekt 2 Neues, c) d) Abbildung 57: Abhängigkeit der adsorbierten Wassermasse (a) und der Kühlleistung (c) vom Wasserdampfgehalt der Sorptionsseite; sowie (b) und (d) von einer gleichgearteten Variation des Wasserdampfgehalts der Sorptions- und der Kühlseite: Vergleich zwischen Messung und Simulation, S: Sorptionsseite (SoS), V: Kühlseite mit Verdunstung von Wasser (WS) Abbildung 57 stellt links (a und b) die Variation des Wasserdampfgehaltes der Luft auf der Sorptionsseite bei einem konstanten Wasserdampfgehalt der Kühlseite von x V,ein=12 g/kg dar. Rechts (c und d) sind die Ergebnisse einer symmetrischen Variation des Wasserdampfgehaltes beidseitig dargestellt. In dieser wurden der Wasserdampfgehalt der Luft auf der Kühlseite und der Sorptionsseite variiert und nehmen einen ähnlichen Wert an (x V,ein x S,ein bzw. x Ws,ein x SoS,ein). Wird die erste Variation betrachtet, so ist eine eindeutige Interpretation der Messungen schwierig. Es liegen keine im Rahmen der Mess- und Wiederholgenauigkeit signifikan- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

86 ten Unterschiede vor. In der Messung nimmt die adsorbierte Wassermasse zwischen den Messpunkten des Eintrittswasserdampfgehaltes von 12 g/kg und 17 g/kg um maximal 160 g zu. Die Ergebnisse der Simulation weisen geringere Schwankungen als die Messung auf und die Zunahme der adsorbierten Wassermasse und der Kühlleistung mit einer zunehmenden Eintrittsfeuchte der Luft auf der Sorptionsseite ist eindeutig. Bei einer Steigerung der Eintrittsfeuchte von 12 g/kg auf 17 g/kg nimmt die adsorbierte Wassermasse in der Simulation um absolut etwa 170 g und um relativ 20 % zu, was einer Zunahme der mittleren Entfeuchtung von etwa 1.0 g/kg entspricht. Die simulierte Kühlleistung steigt in der betrachteten Variation um etwa 10 % von 2290 W auf maximal 2530 W. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Auch im zweiten Fall mit beidseitiger Variation des Wasserdampfgehaltes zeigen die Messungen keine signifikanten Unterschiede zwischen den adsorbierten Wassermassen. In der Simulation zeigt sich nur eine sehr geringe Tendenz zu einer Zunahme der adsorbierten Wassermasse. Ob diese dem wahren Trend entspricht, kann aufgrund der Schwankungen der Messwerte nicht beurteilt werden. In der Messung ist eine Verringerung der Kühlleistung zu beobachten, die auch in der Simulation bestätigt wird. Aufgrund des höheren Wasserdampfgehaltes x V,ein auf der Kühlseite (x WS,ein) verringert sich die Feuchtkugeltemperatur der Luft auf der Sorptionsseite und damit sinkt das Potential zur Kühlung des Sorptionsprozesses. Die damit einhergehende geringere Temperaturabsenkung der Sorptionsluft im Wärmeübertrager überwiegt den nur geringen Effekt gesteigerter Wasserdampfadsorption aufgrund des höheren Wasserdampfgehaltes x SoS,ein. Die Kühlleistung, die beide gegenläufigen Effekte zusammenfasst, nimmt daher ab. Desorptionstemperatur Die Variation der Desorptionstemperatur wird in Abbildung 58 dargestellt. Für die Desorptionstemperatur von 80 C weist einer der drei dargestellten Zyklen eine deutlich niedrigere adsorbierte Wasserdampfmasse auf als die anderen beiden. Diese Art der Schwankung der adsorbierten Wassermasse ist vermutlich auf den Übertritt von Wasser von der Kühlseite auf die Sorptionsseite in der Zwischenkühlphase zurückzuführen. Da die anderen beiden Zyklen aber eine fast identische adsorbierte Wassermasse aufweisen (liegen in Abbildung 58 a) und c) übereinander) werden diese zur Interpretation herangezogen. Zur Vollständigkeit sind aber alle drei Zyklen dargestellt. Unter zusätzlicher Berücksichtigung der Simulation darf der zu erwartende Schluss gezogen werden, dass durch die Desorptionstemperatur eine signifikante Steigerung der adsorbierten Wassermasse, der mittleren Entfeuchtung und der Kühlleistung erreicht werden können. Der thermische COP th fällt dagegen mit zunehmender Desorptionstemperatur. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

87 a) b) Bericht Teilprojekt 2 Neues, c) d) Abbildung 58: Abhängigkeit der adsorbierten Wassermasse (a), der Kühlleistung (b), der mittleren Entfeuchtung (c) und des thermischen COP th (d) von der Desorptionstemperatur: Vergleich zwischen Messung und Simulation Massenströme Die Betrachtung der Massenströme, die in Abbildung 59 dargestellt ist, umfasst zwei unterschiedliche Variationen. In der ersten Variation (Variation a) werden alle Massenströme in gleicher Weise reduziert. In der zweiten Variation (Variation b) wird hingegen nur der Massenstrom der Sorptionsseite während der Adsorptionsphase reduziert. Die Massenströme der Kühlseite und der Desorption wurden dabei mit 450 kg/h konstant gehalten. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

88 a) b) Bericht Teilprojekt 2 Neues, c) d) Abbildung 59: Abhängigkeit der adsorbierten Wassermasse (a), der Kühlleistung (b), der mittleren Entfeuchtung (c) und des thermischen COP th (d) von einer Variation der Massenströme - Variation a: Reduktion aller Massenströme und Variation b: Reduktion der Sorptionsluft bei gleichbleibendem Desorptions- und Kühlmassenstrom: Vergleich zwischen Messung und Simulation Die adsorbierte Wassermasse und die Kühlleistung nehmen in beiden Fällen auch im Rahmen der Mess- und Reproduziergenauigkeit mit der Verringerung der Massenströme signifikant ab. Die Verringerung der adsorbierten Wassermasse ist in dem Fall, dass nur der Massenstrom in der Adsorptionsphase reduziert wird (Variation b), niedriger als bei der Verringerung aller Massenströme (Variation a). Im letzteren Fall wird auch der Desorptionsmassenstrom reduziert und dem Sorptionsmaterial in der Desorption eine geringere Energiemenge zugeführt. Die mittlere Entfeuchtung bleibt bei einer gleichzeitigen Verringerung aller Massenströme etwa konstant (Variation a). Wird nur der Sorptionsmassenstrom verringert (Variation b), dann steigt die mittlere Entfeuchtung hingegen an, da die adsorbierte Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

89 Wassermasse unterproportional im Verhältnis zum Luftmassenstrom abnimmt. Die Kühlleistung sinkt in dieser Variation mit der Abnahme des Massenstroms der Sorptionsseite. Da der Desorptionsmassenstrom in der Variation b aber konstant gehalten wird, wird in der Desorption eine immer noch unveränderliche Energiemenge zugeführt. Dies führt zu einer Verminderung des thermischen COP th. Im Fall der Reduktion aller Massenströme (Variation a) steigt dagegen der thermische COP th. Dies bedeutet, dass sich die Energiezufuhr während der Desorption stärker verringert als die Abnahme der Kühlleistung. Für alle betrachteten Daten wird das gemessene Verhalten durch die Simulation qualitativ und quantitativ richtig wiedergegeben. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Modellierung einer verbesserten Systemkonfiguration Der in dieser Arbeit zur Erhebung der experimentellen Daten verwendete Versuchsaufbau entspricht in Hinblick auf die Zuströmstrecken nicht dem in einem Lüftungsgerät mit zwei alternierend betriebenen Sorptionswärmeübertragern zu erwartenden Aufbau. Da Adsorptions- und Desorptionsluft dieselben, thermisch trägen Zuströmstrecken zyklisch durchströmen, treten die Temperaturflanken in Ad- und Desorptionsphase gedämpft in den Wärmeübertrager ein. Der zusätzlich im Versuchsaufbau verwendete Bypass führt dazu, dass ein Teil der Zuströmstrecken bereits in der Zwischenkühlung abgekühlt wird. Um zu gewährleisten, dass die Luft zu Beginn der Adsorptionsphase nicht mit stark erhöhter Temperatur in den Wärmeübertrager eintritt, wurde eine längere Zwischenkühlphase (7 Minuten) in Kauf genommen. Die Simulation kann nun dazu genutzt werden, den Einfluss der thermischen Massen der Zuströmstrecken zu untersuchen. Hierzu wurde zunächst das thermische Verhalten der Zuströmstrecke des Versuchsaufbaus durch die Simulation abgebildet. Dies ist in Abbildung 60 dargestellt. Das Umschalten zwischen dem kalten und heißen Luftstrom der Adsorption und der Desorption ist durch einen Temperatursprung dargestellt. Die zeitliche Dauer dieses Temperatursprungs wurde an einem gemessenen zeitlichen Verlauf der Temperatur T S,ein angepasst. Der Temperaturverlauf wurde bei einer Zyklenmessung ohne Zwischenkühlphase aufgenommen und zeigt daher ungestört den Einfluss der thermischen Masse der Zuströmstrecke. Durch Anpassung der thermischen Masse der Simulation an diesen Verlauf kann dieses thermische Verhalten abgebildet werden. Die gemessene Temperatur am Eintritt in den Wärmeübertrager T S,ein kann durch die simulierte Temperatur gut wiedergegeben werden. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

90 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 60: Simulation und Validierung der thermischen Masse der Zuleitung: Temperaturverlauf bei Vorgabe eines Temperatursprungs Anschließend werden Simulationen eines Versuchsaufbaus mit unterschiedlichen thermischen Massen der Zuströmstrecken vorgenommen. Der simulierte Systemaufbau ist in Abbildung 61 dargestellt. In diesem wurde keine Bypassschaltung berücksichtigt, da diese auch in einem vollständigen Lüftungsgerät aufgrund des hohen Aufwands und der weiteren Zahl benötigter, schaltbarer Klappen nicht implementiert werden würde. Senke 1 Senke 2 Thermische Masse der Zuströmstrecke Quelle Kühlseite Vol Vol Quelle Desorption ECOS C Vol Quelle Adsorption Senke 4 Senke 5 Senke 3 Vol Mischvolumen Abbildung 61: Systemaufbau einer Testanlage ohne Bypass Für eine direkt dem Wärmeübertrager vorgelagerte Zuströmstrecke, deren Einbau auch in einem Lüftungsgerät erforderlich wäre, wird im Folgenden eine realistisch erreichbare verringerte thermische Masse abgeschätzt. Als thermisch verbesserte Zuleitung wird die Masse des im Testaufbau verwendeten Teils der Zuströmstrecke angesetzt, der dem Wärmeübertrager direkt vorgelagert ist und für eine Querschnittserweiterung von dem Rundrohr auf den Querschnitt des Wärmeübertragers eingesetzt wird. Somit verringert sich die thermische Masse um diejenige der Zuleitung des Testaufbaus, die sich zwischen der Konditionierungseinheit und dem Rechteckkanal vor Eintritt der Luft in den Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

91 Wärmeübertrager befindet. Bei einer Materialmasse von 4 kg und einer spezifischen Wärmekapazität des Polycarbonats von c p = 1,2 kj/kgk [T Joen 2009] ergibt sich eine Wärmekapazität von 4.8 kj/k. In der Simulation wird mit dem aufgerundeten Wert von 5 kj/k in dem Abbildung 61 entsprechenden Aufbau angesetzt. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Zunächst wurden für diesen verbesserten Systemaufbau die optimalen Zwischenkühlzeiten bei insgesamt konstant gehaltener Zykluszeit (60 Minuten) ermittelt. Es wurde gezeigt, dass eine maximale Entfeuchtung und Kühlleistung bei einer Zwischenkühlzeit von 1-3 Minuten vorliegt [Bongs 2013]. Diese Größenordnung der optimalen zeitlichen Dauer der Zwischenkühlphase konnte später in den Messungen an Prototyp IV bestätigt werden (vgl. Abschnitt 3.5.6). Für weitere Rechnungen des optimierten Systemaufbaus (verringerte thermische Masse der Zuströmstrecke) wurde mit einer Zwischenkühlzeit von 2 Minuten gerechnet. Bei der Bestimmung der optimalen Zyklenzeit (unter Annahme einer Zwischenkühlzeit von 2 Minuten) wurde weiter die Abhängigkeit von verschiedenen Randbedingungen berücksichtigt. In Abbildung 62 wurden die Randbedingungen Desorptionstemperatur sowie thermische Masse der Zuströmstrecke variiert. Um die Berechnungen mit der experimentell ermittelten optimalen Zyklenzeit vergleichen zu können, wurden für die Randbedingungen von Eintrittstemperatur und -feuchte diejenigen des Standardbetriebspunktes der Messungen an Prototyp II (s. Tabelle 21) angesetzt. a) b) Abbildung 62: Abhängigkeit der mittleren Entfeuchtung (a) und der Kühlleistung (b) von der Zyklenzeit für Variationen der Desorptionstemperatur und der thermischen Masse der Zuströmstrecke Auch hier werden die mittlere Entfeuchtung und die Kühlleistung zu Bestimmung einer sinnvollen Zyklenzeit betrachtet. Zunächst wird der Zusammenhang zwischen der Desorptionstemperatur und der Zyklenzeit untersucht. Bei den Rechnungen mit einer höheren Kapazität der Zuleitung (ursprünglicher Systemaufbau) verschiebt sich das Maximum von mittlerer Entfeuchtung und Kühlleistung von einer Zyklenzeit von 65 Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

92 Minuten bei einer Desorptionstemperatur von 65 C hin zu einer Zyklenzeit von Minuten bei einer Desorptionstemperatur von 85 C. Dieses Maximum ist eher schwach ausgeprägt. Im Vergleich der Verläufe für die unterschiedlichen Desorptionstemperaturen kann gefolgert werden, dass die Sensitivität der Entfeuchtungs- und Kühlleistung auf die Zyklenzeit mit steigender Desorptionstemperatur zunimmt. Das Maximum ist hier etwas stärker ausgeprägt als bei der niedrigeren Desorptionstemperatur. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Werden die Berechnungen mit niedrigerer thermischer Masse der Peripherie betrachtet (verbesserte Systemkonfiguration), so steigen die Entfeuchtungs- und die Kühlleistung im Vergleich zur Berechnung mit höherer thermischer Masse der Peripherie an. Die Zyklenzeit, die zu einer maximalen Entfeuchtung und Kühlung führt, verschiebt sich, wie durch die Pfeile gekennzeichnet ist. Mit kürzerer Zyklenzeit und höherer Desorptionstemperatur wird der Unterschied der Entfeuchtungs- und Kühlleistungen bei veränderter thermischer Masse der Zuströmstrecken größer. Im Vergleich mit realen Messdaten wäre durch eine Reduzierung der thermischen Masse der Zuströmstrecke und Verkürzung der Zwischenkühlzeit auf 2 Minuten eine Steigerung der mittleren Entfeuchtung von etwa 3,7-4,0 g/kg (vgl. Zyklus von 60 Minuten in Abbildung 56) auf etwa 4,5 g/kg (s. Abbildung 62)zu erwarten. Relativ entspricht dies einer Zunahme um etwa 12 bis 14 % und ist somit ein signifikanter Hebel für eine Prozessverbesserung. Dies demonstriert, dass eine Optimierung nicht nur den Wärmeübertrager, sondern sämtliche Massen, die durch den Prozess thermisch zykliert werden, berücksichtigen muss Erstellung eines TRNSYS-Modells eines ECOS-Lüftungsgerätes Für die Simulation des ECOS-Lüftungsgerätes wurde die Simulationssoftware TRNSYS genutzt. Dies bietet die Möglichkeit des modularen Modellaufbaus mit bereits in TRN- SYS vorhandenen Komponenten und im Vergleich zur Simulation der Wärmeübertrager-Komponente mit Modelica die Möglichkeit, das Gerätemodell zusätzlich mit einem Gebäude und einem Solarsystem zu koppeln. Klassische DEC-Systeme, bei denen Sorptionsräder eingesetzt werden, liefern auf Grund der Prozessweise einen Zuluftvolumenstrom mit annähernd konstanten Parametern der Temperatur und Luftfeuchte. Es wurde versucht, einen hierfür verfügbaren Modellansatz für die Abbildung des ECOS-Systems zu nutzen und entsprechend anzupassen. Bei dem in den TESS 1 HVAC Libraries von TRNSYS verfügbaren Modell (Type 1 Thermal Energy System Specialists Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

93 683) für ein Sorptionsrad wird die Ausgangsfeuchte als Input deklariert und die zum Erreichen einer gewünschten Austrittsfeuchte notwendige Desorptionstemperatur wird dann vom Modell ausgegeben. Eine Nutzung dieses Modells für den vorliegenden Fall war damit nicht möglich. Daher war deshalb notwendig, ein neues Type zu erstellen. Als Grundlage hierfür wurde das Psychrometric Model von Beccali genutzt, welches in zwei Artikeln beschrieben ist [Beccali et al. 2003, 2004]. Dieses vereinfachte Modell ist für die Simulation von DEC-Systemen, sowohl mit Silicagel als auch mit Lithiumchlorid als Sorptionsmittel im Sorptionsrotor angepasst und besitzt in folgenden Grenzen seine Gültigkeit: Außenluft (T=20-34 C, x=8-15g/kg), Regenerationsluft (T=40-80 C, x=10-16g/kg). Bericht Teilprojekt 2 Neues, Aus der Modellbeschreibung von Beccali für das Sorptionsrad wurden die zu Grunde liegenden Gleichungen übernommen und die für die Erstellung eines neuen Modells für eine sorptive Entfeuchtung genutzt und damit das Type 834 erstellt. Für die Abbildung des Gesamtprozesses im ECOS-Lüftungsgerät war es notwendig, den gesamten ablaufenden Prozess in die einzelnen Prozessschritte sorptive Entfeuchtung (Type 843), Wärmeübertragung (Type 667a) und Verdunstungskühlung (Type 507a) zu trennen und diese als Zusammenschaltung schließlich wieder zu einer Komponente zu vereinigen (vgl. Abbildung 63). Der in Fortran erstellte Code wurde mittels eines entsprechenden Compilers in ein TRNSYS-Type überführt und damit der Type 844 geschaffen. Außenluft Abluft Fortluft Zuluft Abbildung 63: Schematische Darstellung des ECOS-Types, bestehend aus den Einzelkomponenten Im Modell implementiert sind sowohl die Variation der Zyklenzeiten als auch die Möglichkeit zur Aufsummierung der Energien für eine korrekte Bilanzierung, für die Ausgabe der Kühlleistung und des Wasserverbrauches sowie für eine COP-Berechnung. Weiterhin bietet das Type Möglichkeiten zur: Steuerung der sorptiven Entfeuchtung und adiabaten Kühlung Anpassung Wärmeübertragungsrate für den Betrieb als reinen Wärmeübertrager und Spezielle Validierungsparameter für die Wärmerückgewinnung und die Regenerationstemperatur Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

94 Erstellung eines Simulationsdecks in TRNSYS Das Simulationsdeck für die Simulation des Gesamtsystems besteht aus folgenden Hauptkomponenten: Type 56 vereinfachtes Gebäudemodell Type 844 ECOS-Lüftungsgerät Solarsystem incl. Speicher weiteren Modulen wie Wettermodul, Regenerationsheizmodul sowie Steuermodulen Bericht Teilprojekt 2 Neues, Gebäudemodell Für die Simulation des Jahresverhaltens eines ECOS-Lüftungssystems war es notwendig, ein vereinfachtes Gebäudemodell zu implementieren. Dieses umfasst die Beschreibung der physikalischen Eigenschaften des Gebäudes wie Speichermasse, Raumtemperatur, Kühllast, Wärmegewinne und verluste durch Transmission, Strahlung und Leitung. Das Gebäudemodell besteht nur aus einer Zone bzw. einem einzelnen nach Süden ausgerichteten Raum mit Fenstern ohne bzw. mit externer Verschattung, der beispielsweise das in der Abbildung 64 dargestellte Aussehen haben könnte. Das Modellgebäude hat eine Grundfläche von 80 m² und eine Raumhöhe von 3 m. Die Hüllflächen weisen einen U-Wert von 0,6 W/m²K, die Fenster besitzen einen U-Wert von 2,83 W/m²K. Die Werte entsprechen damit einem mittleren Gebäudestandard. Abbildung 64: Beispieldarstellung des Gebäudemodells Nach VDI 2078 ist der Raum mit 10 Personen belegt, wobei zusätzliche interne Lasten durch elektrische Geräte in Höhe von 1840 W vorhanden sind. Der Nutzungszeitraum erstreckt sich täglich von 8 19 Uhr. Der Raum ist mit einer aktiven, nicht leistungsbeschränkten Heizung ausgestattet, wodurch die Raumtemperatur 20 C nicht unterschreiten kann. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

95 Je nach Simulationsvariante ist der Raum mit einer Kühldecke ausgestattet, die jedoch erst ab einer Raumtemperatur von 26 C in Betrieb ist. Die Kühlleistung ist entweder auf 3 kw festgelegt oder variabel. Als Sollwert für die Raumluftfeuchte ist ein Wert von 5 g/kg festgelegt, der im Modell über einen Regler die sorptive Entfeuchtung der Zuluft aktiviert oder deaktiviert. Die Startwerte zu Beginn der Simulation liegen bei der 20 C Raumlufttemperatur und bei 50 % relativer Luftfeuchte. Während des Nutzungszeitraumes wird der Raum mit einem Volumenstrom von 400 m³/h aktiv belüftet. Das entspricht einer Luftwechselrate von 1,143 pro Stunde sowie einem Luftwechsel von 40 m³/h pro Person, was ebenfalls den Vorgaben der DIN EN entspricht. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Solarsystem Für die Bereitstellung der Regenerationswärme ist im Modell ein Solarsystem implementiert. Dieses umfasst ein nach Süden ausgerichtetes Kollektorfeld mit 25,12 m² Flachkollektoren mit 15 Neigung welches an einen Warmwasserspeicher gekoppelt ist. Modellrechnungen Für die Simulationsrechnungen wurden die drei Standorte Freiburg, Madrid und Palermo ausgewählt, um damit die Leistungsfähigkeit des ECOS-Systems für unterschiedliche Klimabedingungen in Europa untersuchen zu können. Die Jahresreihen für Temperatur, Feuchte und Solarstrahlung wurden unter Nutzung des Programms Meteonorm erstellt. Nach der World Map of Köppen-Geiger Climate Classification [Kottek at al. 2009] lassen sich die ausgewählten Standorte folgendermaßen einordnen: Standort Hauptklima Niederschlag Temperatur Freiburg warm gemäßigt vollkommen feucht warme Sommer Madrid arid Steppe trocken kalt Palermo gemäßigt warm Sommer trocken heiße Sommer Wie bereits im vorherigen Abschnitt dargestellt, wurde das Gebäudemodell mit einer Kühldecke ausgestattet, die entweder eine auf 3 kw begrenzt ist oder eine unbegrenzte Kühlleistung aufweist. Damit war es möglich, folgende Varianten zu untersuchen, die jeweils geordnet nach dem jeweiligen Standort auf den folgenden Seiten dargestellt sind. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

96 Variation des Kühlsystems: K1: Kopplung mit Solaranlage für Regeneration, aber ohne zusätzliche Kühloption K2: Kopplung mit Solaranlage für Regeneration und begrenzter aktiver Kühlung über Kühldecke (3 kw) K3: Kopplung mit Solaranlage für Regeneration und unbegrenzter aktiver Kühlung über Kühldecke Bericht Teilprojekt 2 Neues, Variation der Regenerationstemperatur: R1: feste Regenerationstemperatur 60 C R2: feste Regenerationstemperatur 65 C R3: feste Regenerationstemperatur 80 C Beide Variationen wurden zusätzlich jeweils ohne und mit Verschattungsoption gerechnet. Die Verschattung führt zu einer Verringerung der Einstrahlung auf die Fensterfläche um 70 %. Als weitere Möglichkeit erfolgte die Betrachtung einer Variante mit einer integrierten Nachtauskühlung, indem die Heizung ausgeschaltet bzw. auf 17 C abgesenkt wurde (Nachtabsenkung) sowie der Luftwechsel auf 1 1/h erhöht wurde. Damit ergaben sich für jeden der drei Standorte 13 verschiedene Simulationsvarianten. Im Folgenden werden auf Grund des Umfangs der Ergebnisse und Informationen nur die Ergebnisse der Varianten K1 bis K3 ohne und mit Verschattung für die drei Standorte vorgestellt. Die Tabelle 22 enthält eine Übersicht über die wesentlichen Ergebnisse der Simulationsrechnungen. Daraus wird deutlich, dass für den Standort Freiburg die Zulufttemperatur nicht die kritische 26 C-Marke überschreitet, jedoch zur Einhaltung dieser Temperaturobergrenze eine zusätzliche Kühlung notwendig ist. Für Madrid kann erst mit einer zusätzlichen Kühlung eine Zulufttemperatur unter 26 C gewährleistet werden. Daraus wird deutlich, dass die Raumablufttemperatur eine Rückwirkung auf die Zuluft hat. Für beide Standorte ist eine maximale zusätzliche Kühlleistung von 1,8 bzw. 2,8 kw ausreichend, um Raumbedingungen innerhalb des Komfortbereiches zu gewährleisten. Daher enthalten die Diagrammspalten, in denen die Werte für unbegrenzte Kühlung dargestellt sind, keine Werte. Lediglich für den Standort Palermo, der durch das sehr feuchte und heiße Klima geprägt ist, ist eine zusätzliche Kühlleistung von 3,7 kw notwendig, um die Temperaturen im Modellgebäude im Komfortbereich zu halten. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist jedoch auch, dass während der 90 Stunden, in denen in Palermo bei der Variante mit maximal 3 kw zusätzlicher Kühlung die Raumtemperatur die 26 -Grenze überschreitet, nur eine Temperaturüberschreitung um etwa 1 K erfolgt. Ein solcher Fakt würde bei einer realen Installation die Möglichkeit eröffnen, auf eine Vergrößerung der Kühlleistung zu verzichten, wenn seitens der Nutzer diese geringen Ausnahmefälle akzeptiert werden. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

97 Tabelle 22: Auswertung der Simulationen der Varianten K1 bis K3 Auswertung Simulationen keine Kühlung, keine Verschattung 3kW Kühlung, keine Verschattung unb. Kühlung, keine Verschattung Freiburg Madrid Palermo Freiburg Madrid Palermo Freiburg Madrid Palermo Jahresenergiebedarf [kwh] Jahreskühlenergie [kwh] Stunden über 26 C RAUM [h] Stunden über 26 C ZUL [h] zustätzliche Kühlenergie [kwh] max zus. Kühlleistung [kw] average COP Bericht Teilprojekt 2 Neues, keine Kühlung, Verschattung 3kW Kühlung, Verschattung unb. Kühlung, Verschattung Freiburg Madrid Palermo Freiburg Madrid Palermo Freiburg Madrid Palermo Jahresenergiebedarf [kwh] Jahreskühlenergie [kwh] Stunden über 26 C RAUM [h] Stunden über 26 C ZUL [h] zustätzliche Kühlenergie [kwh] max zus. Kühlleistung [kw] average COP Die zusätzliche Verschattungsoption führt zu einer Reduzierung der zusätzlichen Kühlenergie, wobei das für die drei Standorte in folgender Größenordnung: Freiburg 33 %, Madrid 19 % und Palermo 13 %. Zur Verdeutlichung der Ergebnisse sind im Folgenden einige ausgewählte Diagramme für die Standorte Freiburg und Madrid für die Varianten K1 und K2 dargestellt. Für den Standort Freiburg wird aus den Diagrammen in Abbildung 65, Abbildung 66, Abbildung 67 und Abbildung 68 einerseits die Leistungsfähigkeit des ECOS- Lüftungssystems deutlich, andererseits zeigen die Ergebnisse, dass mit einem solchen Gerät allein die gesamten anfallenden Kühllasten nicht gedeckt werden können und daher einen zusätzliche Kühlung notwendig ist, um die Komfortbedingungen zu gewährleisten. Die Abbildung 69, Abbildung 70, Abbildung 71 und Abbildung 72 zeigen die Raumluftzustände für den Standort Madrid. Hieraus wird ebenfalls deutlich, dass eine mit einer zusätzlichen Kühlung die Komfortbedingungen auch hier gewährleistet werden können. Interessant ist der Vergleich der beiden Histogramme, welche den Raumluftzustand für den Fall ohne Kühlung zeigen (Abbildung 67 und Abbildung 71). Aus diesen beiden Darstellungen wird insbesondere die Anzahl der Betriebsstunden deutlich, in denen die Raumtemperatur die 26 C-Grenze überschreitet und welche als Argument gegenüber den Gebäudenutzern bei einer Diskussion herangezogen werden sollten. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

98 Standort Freiburg Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 65: Außenluftzustand Freiburg Abbildung 66: Raumluftzustand Freiburg, keine Kühlung, keine Verschattung Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

99 Zeit [h] Bericht Teilprojekt 2 Neues, Temperatur [ C] Abbildung 67: Histogramm des Raumluftzustands Freiburg, keine Kühlung, keine Verschattung Abbildung 68: Raumluftzustand Freiburg, maximal 3 kw Kühlung, keine Verschattung Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

100 Standort Madrid Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 69: Außenluftzustand Madrid Abbildung 70: Raumluftzustand Madrid, keine Kühlung, keine Verschattung Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

101 Zeit [h] Bericht Teilprojekt 2 Neues, Temperatur [ C] Abbildung 71: Histogramm des Raumluftzustands Madrid, keine Kühlung, keine Verschattung Abbildung 72: Raumluftzustand Madrid, maximal 3 kw Kühlung, keine Verschattung Zusammenfassende Bewertung der Simulation Die Simulationsergebnisse der Einzelkomponente Wärmeübertrager als auch des Gesamtsystems haben sehr gute Ergebnisse erbracht. Mit Hilfe der jetzt vorliegenden Simulationsmodelle stehen leistungsfähige Werkzeuge zur Verfügung, um sowohl das Verhalten unterschiedlicher sorptiver Wärmeübertrager modellieren zu können als auch Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

102 die Leistungsfähigkeit eines Gesamtsystems unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen beurteilen zu können. Die Simulationsergebnisse des Gesamtsystems zeigen die Leistungsfähigkeit eines ECOS-Lüftungsgerätes und dessen Anwendbarkeit und Grenzen für die unterschiedlichen Standorte. Bericht Teilprojekt 2 Neues, 3.7 Verdunstungskühlung Die durchgeführten Untersuchungen zur Verdunstungskühlung hatten zum Ziel, die Funktionsweise der Befeuchtungseinheit zu analysieren, optimale Betriebsparameter zu bestimmen und die Kühlleistung in Abhängigkeit verschiedener Parameter zu untersuchen und zu optimieren Hydrophile Oberflächenbeschaffenheit Während die Zuluftseite der Wärmeübertrager mit einer sorptiven Beschichtung versehen ist, muss die Abluftseite eine effektive Verdunstungskühlung ermöglichen. Hydrophile Eigenschaften dieser Seite des Wärmeübertragers sollen hier zu einer möglichst gleichmäßigen Benetzung mit dem eingesprühten Wasser führen. Durch die Verdunstung des Wassers direkt in den Kanälen des Wärmeübertragers wird damit eine effiziente Wärmeabfuhr gewährleistet. Die Charakterisierung der Oberfläche erfolgt über den Kontaktwinkel Theta ( ), welcher den Winkel zwischen der Oberfläche und einer, am Dreiphasenpunkt (gas/flüssig/fest) angelegten Tangente beschreibt (Abbildung 73). Prinzipiell sind Fluide mit einem Kontaktwinkel kleiner 90 hydrophil und größer 90 hydrophob. Abbildung 73: Der Kontaktwinkel charakterisiert Oberflächen (Substrat) hinsichtlich des Kontaktverhaltens mit Flüssigkeiten (nach [Dörfler 2002]). Die nachfolgenden Abbildungen veranschaulichen drei mögliche Kontaktwinkel von Flüssigkeits-Oberflächenpaarungen. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

103 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 74: Zeigt ein superhydrophiles Verhalten mit einem Kontaktwinkel um 5 Abbildung 75: Zeigt ein hydrophobes Verhalten mit einem Kontaktwinkel um 90 Abbildung 76: Zeigt ein superhydrophobes Verhalten mit einem Kontaktwinkel um 160 Metalle sind grundsätzlich mehr oder weniger hydrophil. Es gibt verschiedene Möglichkeiten das hydrophile Verhalten zu verbessern. Dazu gehören beispielsweise spezielle Oberflächenbeschichtungen, aber auch chemische Behandlungen die die Mikrostruktur verändern und damit den Kontaktwinkel verringern. Ebenso ist eine Beeinflussung auf der Fluidseite durch Zugabe von Tensiden möglich. Im vorliegenden Fall wurden verschiedene Materialien untersucht. Der Wärmeübertrager 1 besteht aus einseitig hydrophil beschichteten Aluminiumfolien des Herstellers Novelis. Der Prototyp I wurde ebenfalls unter Nutzung dieser hydrophil beschichteten Aluminiumfolien hergestellt. Der Prototyp II besteht aus unbehandeltem Aluminium, welches jedoch während des Prozesses zur sorptiven Beschichtung einer Phosphatierung unterzogen wurde. Dies führte zu einer Veränderung der Oberflächeneigenschaften, die laborativ nachgewiesen wurde. Da sowohl von der Firma Klingenburg, die den Wärmeübertrager hergestellt hat, als auch direkt vom Hersteller Novelis keine näheren Informationen über die Beschichtung zu erlangen waren, wurde eine Messung des Kontaktwinkels am Fraunhofer ISE durchgeführt. Außerdem erfolgte die Untersuchung einer phosphatierten Aluminiumfolie. Als Messgerät kam das Modell OCA 20 von DataPhysics zum Einsatz. Für die Messung wurde über eine Pipette ein Tropfen deionisiertes Wasser auf die Oberflächenprobe dosiert. Über eine integrierte hochauflösende CCD Kamera wird nach Erreichen eines stationären Zustandes (kein Fließen) ein Foto gemacht (vgl. Abbildung 77, Abbildung 78 und Abbildung 79). Auf den Abbildungen sind jeweils der auf der Messfläche liegende Flüssigkeitstropfen sowie auch die von oben hineinragende Pipette dargestellt. Die Fotos werden unter Zuhilfenahme der zugehörigen Software ausgewertet, indem Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

104 die Bereiche der Flüssigkeit und des Festkörpers markiert werden und anschließend die Größe des Kontaktwinkels ausgegeben wird. Die Genauigkeit der Messung beträgt ± 5. Die Kontaktwinkelmessung der unbeschichteten Aluminiumfolie ergab einen Wert von 80 (schwach hydrophil) (vgl. Abbildung 77). Die Phosphatierung der Oberfläche führt zu einem Kontaktwinkel von 71 (Abbildung 78). Die Messung des Kontaktwinkels der hydrophilen Beschichtung von Novelis ergab ein stark hydrophiles Verhalten mit einen Kontaktwinkel von 25 (Abbildung 79). Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 77: Messung der unbeschichteten Aluminiumfolie (80 Kontaktwinkel) Abbildung 78: Messung der phosphatierten Aluminiumfolie (71 Kontaktwinkel) Abbildung 79: Messung der hydrophil beschichteten Aluminiumfolie des Herstellers Novelis (25 Kontaktwinkel) Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

105 3.7.2 Aufbau des Befeuchtungssystems Der Aufbau des Befeuchtungssystems ist in der Abbildung 80 dargestellt. Zentral über dem ECOS-Wärmeübertrager befindet sich ein rechteckiges Kanalstück, in welchem der untere Düsenstock eingebaut ist. Im Kanalstück darüber befindet sich der obere alternative Düsenstock. Die Außenluft durchströmt den Wärmeübertrager horizontal ( Sorptions-Seite : SoS). Die Abluft strömt senkrecht von oben nach unten durch den Wärmeübertrager ( Wasser-Seite : WS). Der Düsenstock ist so konstruiert, dass eine bzw. mehrere Düsen in etwa 30 bis 50 cm Höhe zentriert in der Mitte des Luftkanals angeordnet sind und somit gleichmäßig in den Luftkanal und auf den Wärmeübertrager sprühen. Die Einsprühung erfolgt in Richtung der durchströmenden Luft und die Wassertröpfchen werden sowohl durch die strömende Luft als auch durch die Schwerkraft in den Wärmeübertrager hineingetragen. Mit einer geringen Dosierung des Wassers konnte erreicht werden, dass möglichst wenig überschüssiges Wasser (welches nicht verdunstet ist) unten aus dem Wärmeübertrager wieder austritt und abgeführt werden muss. Durch diese konstruktiven Maßnahmen sowie einen zusätzlichen Tropfenabscheider wird der Eintrag von Wassertropfen in das Luftkanalsystem hinter dem Wärmeübertrager verhindert. Außerdem erfolgte der Einbau einer Serviceklappe für die Düse, um diese Bei Bedarf auswechseln oder reinigen zu können. Bericht Teilprojekt 2 Neues, WS_in oberer Düsenstock unterer Düsenstock SoS_out ECOS WÜ SoS_in WS_out Abbildung 80: Vorderansicht des ECOS-Teststands mit Befeuchtungsanlage Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

106 3.7.3 Düsen Die Auswahl der Düsen erfolgte über die Düsenkennlinie (Wasservolumenstrom, Betriebsdruck) und das Sprühbild. Der Betriebsdruck der Düsen sollte den Bereich des Trinkwasserversorgungsdruckes von 4 bis 10 bar nicht überschreiten, um bei der Installation auf übliche Materialien zurückgreifen zu können. Im Laufe der Untersuchungen wurden 3 unterschiedliche Düsentypen von verschiedenen Herstellern getestet. Die Tabelle 23 gibt eine Übersicht der eingesetzten Düsen. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Tabelle 23: Übersicht der verschiedenen Sprühdüsen Bezeichnung und Betriebsdruck in Volumenstrom pro Anordnung bar Düse in l/h Abbildung BETE Pin Jet PJ6, Nebeldüse, 4 Stück, Anordnung im unteren Düsenstock 1,8 FLF SingleFogger, Gewächshausdüse, 4 Stück, Anordnung im unteren Düsenstock JN-CoolNet, Gewächshausdüse, 2 Stück, Anordnung im oberen Düsenstock ,5-7,5 Die Nebeldüsen vom Typ PJ6 des Herstellers BETE DÜSEN haben bei einem Betriebsdruck von 5 bar einen Wasserdurchsatz von 1,8 l/h. Um eine möglichst gute Verteilung des Sprühnebels über den Kanalquerschnitt zu erreichen, wurden vier Düsen gleichmäßig über den Kanalquerschnitt verteilt, womit sich ein Summendurchfluss von 7,2 l/h ergibt. Die Düsen weisen einen Sprühwinkel von 90 auf. Bei vorgegebenem Befeuchtungsdurchmesser D kann daraus die Einsprühhöhe h ermittelt werden. Die SingleFogger Düsen des Herstellers ScanGrow A/S arbeiten bei einem Betriebsdruck im Bereich von 3-5 bar und haben einen Nennvolumenstrom von 5 l/h. Die JN-CoolNet Düsen des Herstellers Netafim arbeiten bei einem Betriebsdruck im Bereich von 3-5 bar und haben einen Nennvolumenstrom von 7,5 l/h. Mit den CoolNet Düsen wurden die besten Ergebnisse vom Sprühbild und auch von der Stabilität gegenüber möglichen Verkalkungen erzielt. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

107 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 81: Darstellung des Sprühwinkels [BETE 2009] Bewertung der Verdunstungskühlung Die Güte der indirekten Verdunstungskühlung wird wie in Abschnitt vorgestellt mit der modifizierten Rückwärmezahl bewertet. Die Kühlgrenztemperatur T KGT stellt hierbei die niedrigste, allein durch Verdunstungskühlung erreichbare Temperatur auf der Abluftseite dar. Die erreichbare Kühlleistung wird durch den mittleren Wärmestrom ausgedrückt, welcher von der sorptiv beschichteten Zuluftseite auf die Abluftseite gerichtet ist. Zur Berechnung dieses Wärmestromes wird die folgende Beziehung genutzt: ( ) wobei n die Anzahl der Messpunkte bei einem Messintervall von 5 Sekunden darstellt. Auf Grund negativer Temperaturdifferenzen ( SoS = SoS,in SoS,out) ergeben sich damit auch negative Kühlleistungen Einfluss der Sprühdüsen Betrachtung an WÜ 1 Die ersten Versuche bestanden in der Beurteilung des mit den Düsen erreichbaren Sprühbildes und der daraus resultierenden Befeuchtung der Wärmeübertragerkanäle. Die Versuche wurden mit dem Wärmeübertrager 1 durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die befeuchtete Fläche bezogen auf den Eintrittsquerschnitt des Wärmeübertragers stark vom Sprühbild der Düsen und gleichzeitig vom Luftvolumenstrom der simulierten Raumabluft abhängig ist. Es zeigte sich, dass die Variation des Wasserdrucks zwischen 3,5 und 5 bar und damit des Wasservolumenstroms nur eine sehr geringe Auswirkung auf die Kühlleistung hat. Jedoch wurde bei diesen Versuchen auch deutlich, dass der nur hydrophil beschichtete Wärmeübertrager leicht undicht war und somit Wasser auf die Zuluftseite gelangte. Eine Quantifizierung der Leckage und ihres Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

108 Einflusses auf die Kühlleistung war nicht möglich. Weiterhin hat sich gezeigt, dass der bei der vorliegenden Versuchsanordnung mit 4 Düsen minimal mögliche Wasserdruck von 3,5 bar zu einem ungleichmäßigen Sprühbild mit Tropfenbildung führt. Diese Einstellung erzeugte immer noch einen Wasserüberschuss. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Vergleich der Verdunstungskühlung bei Prototyp I, II und III sowie Wärmeübertrager 1 Untersuchung von Wärmeübertrager 1 Zunächst erfolgt die Beschreibung der Untersuchungsergebnisse am Wärmeübertrager 1. Innerhalb der Versuchsreihen erfolgte die Variation einzelner Prozessparameter, wie Feuchte und Temperatur. Um den Einfluss der Oberflächeneigenschaften der Wärmeübertragerbleche auf den Effekt der Verdunstungskühlung zu untersuchen, wurden die Versuche mit und ohne hydrophile Beschichtung durchgeführt, indem der Wärmeübertrager um 90 gedreht eingebaut wurde. Zusätzlich erfolgten Versuche mit entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Luft gedrehten Düsen. Die Diagramme in Abbildung 82 zeigen die ermittelte Kühlleistung für die drei unterschiedlichen Fälle. Aus den Kurven wird die verbesserte Kühlleistung durch hydrophile Oberflächeneigenschaft deutlich. Die Temperatur der Außenluft lag bei den Versuchen im Bereich zwischen 29 und 31 C, die Außenluftfeuchte wurde im Bereich zwischen 7 und 11 g/kg variiert. Die Versuche wurden mit einem beidseitigen Volumenstrom von 300 m³/h durchgeführt. Die gegen die Strömungsrichtung der Luft gerichtete Einsprühung von Wasser führte zu keiner signifikanten Veränderung der Kühlleistung. Abbildung 82: Versuchsergebnisse zur Verdunstungskühlung am nicht sorptiv beschichteten Wärmeübertrager: Kühlleistung in Abhängigkeit der Feuchtkugeltemperatur (links) bzw. der Lufttemperatur (rechts) Untersuchungen von Prototyp I, II und III Wie bereits bei den Untersuchungen zur Wärmeübertragung erwähnt, unterscheiden sich die Versuchsbedingungen bei einigen Parametern. Die Angaben in der Tabelle 24 Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

109 zeigen die Randbedingungen sowie die experimentell ermittelt modifizierte Rückwärmezahl. Daraus wird deutlich, dass der Prototyp III die höchste Effektivität der indirekten Verdunstungskühlung aufweist. Dass in diesem Fall der Prototyp II einen besseren Wirkungsgrad als der Prototyp I aufweist, wird auch auf die möglicherweise schlechtere Wasserverteilung in den Kanälen zurückgeführt. Die Materialbeschaffenheit scheint hier eine entscheidende Rolle zu spielen, da insbesondere die Kunststoffwelle in Prototyp I ein hydrophobes Verhalten aufweist und daraus eine gleichmäßige Wasserverteilung in den Kanälen behindert wird. Die Aluminiumwelle in Verbindung mit einer hydrophilen Oberflächenbeschichtung (Prototyp III) führt offensichtlich zu einer günstigen Benetzung und Wasserverteilung. Ein weiterer Punkt wird in der verbesserten Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumwelle gesehen. Zusätzlich wird vermutet, dass die kleinere Baugröße des Prototyp III dazu führt, dass mit der eingedüsten Wassermenge ein größerer Anteil der abluftseitigen Wärmeübertragerfläche benetzt wird als in den Prototypen I und II. Bericht Teilprojekt 2 Neues, PT Nr. x WS,in T SoS,in T WS,in Düse [g/kg] [ C] [ C] [kg/h] [kg/h] [-] I A ,0 28, ,60 II B ,0 28, FLF 0,72 III V ,0 26, Tabelle 24: Versuchsliste zum Vergleich der WÜ-Prototypen bzgl. der indirekten Verdunstungskühlung Exp.- COOLnet COOLnet 0,87 Die Abbildung 83 zeigt die Temperaturverläufe der Luft bei der indirekten Verdunstungkühlung für die Wärmeübertrager (WÜ1, PT I, PT II). In allen drei Fällen wurden die Versuche mit einer Außenlufttemperatur von 32 C durchgeführt. Aus dem Vergleich der drei Diagramme wird deutlich, dass einerseits die größere Wärmeübertragerfläche (10,8, 15,2 und 17,2 m²) zu einer stärkeren Temperaturabsenkung führt, jedoch offensichtlich auch die Kanalgeometrie (Plattenabstand) einen wesentlichen Einfluss hat. Der Flächenunterschied zwischen Prototyp I und II ist mit 2 m² zu gering, um allein für die bessere Kühlung bei Prototyp II verantwortlich zu sein. Der Plattenabstand beträgt bei diesem 5 mm, bei Prototyp I beträgt er nur 2,5 mm. Während mit dem kleineren und unbeschichteten Wärmeübertrager, der eine Fläche von 10,8 m² aufweist eine maximale Temperaturabsenkung von 4,8 K erreicht werden konnte, wurde mit den größeren und sorptiv beschichteten Wärmeübertragern, die eine Fläche von 15,2 m² bzw. 17,2 m² besitzen, Temperaturabsenkungen um etwa 7,5 K bzw. 9 K erreicht. Die Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

110 sich daraus ergebenden Rückwärmezahlen (Wirkungsgrade) liegen bei Werten von 0,34, 0,65 bzw. 0,73. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Tabelle 25: Parameter der Verdunstungskühlung an den drei Wärmeübertragern Parameter Wärmeübertrager 1 Prototyp I Prototyp II Wärmestrom Q dot [W/(m³/h)], normiert auf Volumenstrom 1,23 2,23 2,70 Zulufttemperatur SoS,out [ C] 27,2 24,5 23,0 Modifizierte Rückwärmezahl ƞ 0,34 0,65 0,73 Abbildung 83: Durch Verdunstungskühlung erreichte Temperaturabsenkung bei den unterschiedlichen Wärmeübertragern (von links nach rechts: Wärmeübertrager 1, Prototyp I, Prototyp II) Vergleich der CoolNet-Düsen mit den SingleFogger-Düsen Um einen direkten Vergleich der CoolNet-Düsen mit den SingleFogger-Düsen vornehmen zu können, wurde jeweils eine Versuchsreihe bei konstanten Bedingungen durchgeführt. In der Tabelle 26 sind die Randbedingungen der Versuchsreihe aufgeführt. Diese Randbedingungen gelten für die in der Abbildung 84 dargestellten Versuche. Hierbei kamen nur die CoolNet-Düsen im oberen Düsenstock zu Einsatz. Tabelle 26: Randbedingungen bei Einsatz der CoolNet-Düsen Außenlufttemperatur T SoS_in 35 C Massentrom auf der Zuluft und Abluftseite 450 kg/h Ablufttemperatur T WS 28 C Abluftfeuchte x WS 6 12 g/kg Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

111 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 84: Kühlleistung und Zulufttemperatur in Abhängigkeit der Feuchtkugeltemperatur der Abluft In der Abbildung 84 sind die Ergebnisse von Kühlleistung und Zulufttemperatur dargestellt. Es zeigt sich eine näherungsweise lineare Abhängigkeit der Kühlleistung und der Temperatur der Sorptionsluft von der Feuchtkugeltemperatur der Abluft. In Abbildung 85 wird ein Ausschnitt aus den Messwerten dargestellt, in dem mit beiden Düsentypen fast übereinstimmende Ergebnisse erzielt wurden. Lediglich die Streuung der Messwerte scheint bei Verwendung der SingleFogger-Düsen geringer zu sein. Damit wird auch in Bezug auf die Feuchtkugeltemperatur eine gering höhere Kühlleistung erreicht. Ein direkter Einfluss auf die Kühlleistung durch den unterschiedlichen Wasservolumenstrom ist aus den Messergebnissen nicht abzuleiten. Tabelle 27: Randbedingungen der Versuche zum Vergleich der CoolNet-Düsen mit den SingleFogger-Düsen Außenlufttemperatur T SoS_in 35 C Massentrom auf der Zuluft und Abluftseite 450 kg/h Ablufttemperatur T WS 28 C Abluftfeuchte x WS Wasservolumenstrom CoolNet-Düsen V dot Wasservolumenstrom SingleFogger-Düsen V do 12 g/kg 13 l/h 20 l/h Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

112 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 85: Einfluss unterschiedlicher Düsen (CoolNet und SingleFogger) auf die Kühlleistung und die Zulufttemperatur in Abhängigkeit der Feuchtkugeltemperatur Detaillierte Beschreibung der Versuche zur Verdunstungskühlung am Prototyp II Im Folgenden werden drei verschiedene Versuchsreihen beschrieben, bei denen der Einfluss der Variation einzelner Randbedingungen auf die Verdunstungskühlung untersucht wurde. Die Untersuchungen wurden am Prototyp II vorgenommen. Es erfolgten Versuche mit der Variation der Abluftfeuchte, der Ablufttemperatur und der Massenströme. Alle Versuche fanden näherungsweise im Sorptionsgleichgewicht statt, d.h. auf der Zuluftseite des Wärmeübertragers fanden keine Sorptionsvorgänge statt. Dies wurde jeweils vor Versuchsbeginn durch die Übereinstimmung des Wasserdampfgehalts vor und nach dem Wärmeübertrager (x SoS,in x SoS,out ) garantiert. In den folgenden Tabellen ist die Außenluftfeuchte als konstant angegeben, da diese im vorliegenden Falle des Sorptionsgleichgewichtes keinen Einfluss hat. Die Konstanz des Wertes wurde ebenfalls während der Messungen kontrolliert und gewährleistet. Variation der Abluftfeuchte Um den Einfluss der Abluftfeuchte auf die Verdunstungskühlung zu untersuchen wurden Versuche bei den in Tabelle 28 folgenden Randbedingungen durchgeführt: Die Messergebnisse sind in Abbildung 86 und Abbildung 87 dargestellt. Deutlich wird daraus die Abnahme der Zulufttemperatur mit abnehmender Abluftfeuchte x WS,in, was aus der Zunahme des Befeuchtungspotentials resultiert. Bei niedrigerer Abluftfeuchte wird eine höhere (absolute) Kühlleistung erreicht (vgl. Abbildung 86). Die modifizierte Rückwärmezahl steigt im untersuchten Bereich mit zunehmender Feuchte der Abluft (x WS,in ) leicht an. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

113 Kühlleistung SoS [W]. Rückwärmezahl [ - ]. Zulufttemperatur SoS [ C]. konstant Außenluftmassenstrom Abluftmassenstrom Außenlufttemperatur Ablufttemperatur Außenluftfeuchte Abluftfeuchte Tabelle 28: Versuche zur Verdunstungskühlung mit Variation der Abluftfeuchte Bericht Teilprojekt 2 Neues, [kg/h] [kg/h] [ C] [ C] [g/kg] Variation Wasserdampfgehalt der Abluft x_ws , ,5 15 Wasserdampfgehalt der Abluft (WS) [g/kg] Abbildung 86: Zulufttemperatur in Abhängigkeit der Abluftfeuchte Variation Wasserdampfgehalt der Abluft x_ws 1 0,9 0, , ,5 15 Wasserdampfgehalt der Abluft (WS) [g/kg] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Abbildung 87: Kühlleistung und Rückwärmezahl in Abhängigkeit der Abluftfeuchte Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

114 Zulufttemperatur SoS [ C]. konstant Außenluftmassenstrom Abluftmassenstrom Außenlufttemperatur Ablufttemperatur Außenluftfeuchte Abluftfeuchte Variation der Ablufttemperatur Um den Einfluss der Ablufttemperatur auf die Verdunstungskühlung zu untersuchen wurden weitere Versuche bei den folgenden Randbedingungen durchgeführt: Bericht Teilprojekt 2 Neues, Tabelle 29: Versuche zur Verdunstungskühlung mit Variation der Ablufttemperatur [kg/h] [kg/h] [ C] [ C] [g/kg] Die Messergebnisse zeigen mit zunehmender Ablufttemperatur eine Zunahme der Zulufttemperatur. Dementsprechend wird bei höherer Ablufttemperatur eine geringere Kühlleistung erreicht. Die Rückwärmezahl ist jedoch annähernd konstant. 28 Variation Ablufttemperatur T_ws Ablufttemperatur WS [ C] Abbildung 88: Zulufttemperatur in Abhängigkeit der Ablufttemperatur Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

115 Kühlleistung SoS [W]. Rückwärmezahl [ - ]. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Variation Ablufttemperatur T_ws 1 0,9 0, ,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Ablufttemperatur WS [ C] Abbildung 89: Kühlleistung und Rückwärmezahl in Abhängigkeit der Ablufttemperatur Um die beiden Versuchsreihen vergleichen zu können, wird in Abbildung 90 die Änderung der Kühlleistung in Abhängigkeit der Feuchtkugeltemperatur dargestellt. Zunächst zeigt sich, dass die Variation der Feuchtkugeltemperatur über eine Variation des Wasserdampfgehalts besser zu erreichen ist als über einer Variation der Temperatur. Die Variation der Temperatur deckt somit einen kleineren Bereich der Feuchtkugeltemperatur ab. In beiden Versuchsreihen zeigt sich eine lineare Abhängigkeit, die jedoch bei der Variation der Ablufttemperatur eine etwas steilere Steigung aufweist als bei einer Variation des Wasserdampfgehaltes. Abbildung 90: Kühlleistung in Abhängigkeit der Feuchtkugeltemperatur Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

116 konstant Variation des Massenstromes Um den Einfluss der Massenströme auf der Zuluft- und auf der Abluftseite zu untersuchen, wurden die in Tabelle 30 aufgelisteten Versuche mit Variation des jeweiligen Massenstromes durchgeführt. Alle übrigen Prozessparameter wurden konstant gehalten. Außenluftmassenstrom Abluftmassenstrom Außenlufttemperatur Ablufttemperatur Außenluftfeuchte Abluftfeuchte Bericht Teilprojekt 2 Neues, Tabelle 30: Versuche zur Verdunstungskühlung mit Variation des Massenstromes [kg/h] [kg/h] [ C] [ C] [g/kg] Die Diagramme in Abbildung 91 und Abbildung 92 zeigen die Zulufttemperatur und die Kühlleistung auf der Zuluftseite in Abhängigkeit des jeweiligen Massenstroms. Aus den Darstellungen wird deutlich, dass eine Veränderung des Massenstroms auf der Zuluftseite einen erheblichen Einfluss auf die Zuluftabkühlung hat, wobei hingegen der Einfluss auf der Abluftseite nicht signifikant ist. Die Zunahme des zuluftseitigen Massenstroms führt zwar einerseits ebenfalls zu einer Zunahme des übertragenen Wärmestroms, jedoch bleibt die erreichbare Temperaturdifferenz zwischen Eintritt und Austritt konstant. Da die Definition der Rückwärmezahl nur für den Fall beidseitig gleicher Massenströme gültig ist, wird sie hier nicht betrachtet. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

117 Kühlleistung SoS [W]. Zulufttemperatur SoS [ C]. 28 Zulufttemperatur bei Variation des Massenstroms Bericht Teilprojekt 2 Neues, 26 Variation WS-Massenstrom Variation SoS-Massenstrom Massenstrom [kg/h] Abbildung 91: Zulufttemperatur in Abhängigkeit des Massenstroms -800 Sensible Kühlung bei Variation des Massenstroms Variation SoS-Massenstrom Variation WS-Massenstrom Massenstrom [kg/h] Abbildung 92: Kühlleistung in Abhängigkeit des Massenstroms Untersuchung von Wärmeübertrager 2 Mit dem Wärmeübertrager 2 wurde auf Grund der beschriebenen Probleme bei der Realisierung einer sorptiven Beschichtung ein weiterer Wärmeübertrager ohne sorptive Beschichtung vermessen. Eine weitere Besonderheit stellt hier die unterschiedliche Kanalgeometrie bzw. Kanalabstände (4,5 und 9 mm) der Zu- und Abluftseite des Wärmeübertragers dar. Neben den Untersuchungen zur reinen Wärmeübertragung war die Analyse der indirekten Verdunstungskühlung von besonderem Interesse. Aus diesem Grund wird im Folgenden auch nur auf die hierbei gewonnen Erkenntnisse eingegangen. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

118 Bedingt durch die unterschiedlichen Kanalabstände und die daraus resultierenden unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten auf Zuluftseite (SoS) und Abluftseite (WS) wurde ein Einfluss auf die Verdunstungskühlung, und damit auf die Temperaturabsenkung und die modifizierte Rückwärmezahl ƞ erwartet. Das Verhältnis des durchströmten Querschnitts von SoS zu WS betrug etwa ein Drittel zu zwei Drittel. Das Verhältnis der daraus resultierenden Strömungsgeschwindigkeiten verhält sich entsprechend umgekehrt. Ist im Folgenden die Rede von einem Kanalabstand von 4,5 bzw. 9 Millimetern, so ist immer der Abstand des WS-Kanals gemeint. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Die Abbildung 93 stellt den Zusammenhang von Massenstrom, Eintrittstemperatur und Kanalabstand im Hinblick auf ƞ dar. Grundsätzlich ist zu erkennen, dass mit zunehmendem Massenstrom die modifizierte Rückwärmezahl ƞ immer kleiner wird. Auch hier kann man daraus schließen, dass sich ein hoher Massenstrom und somit eine hohe Strömungsgeschwindigkeit negativ auf die modifizierte Rückwärmezahl ƞ auswirkt. Werden jeweils die vier Versuche mit dem gleichen Massenstrom separat betrachtet, zeigen die Versuche mit dem geringen Kanalabstand und somit der höheren Strömungsgeschwindigkeit generell eine schlechtere modifizierte Rückwärmezahl ƞ als die Versuche mit großem Kanalabstand und niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit. Abbildung 93: Modifizierte Rückwärmezahl bei Variation von Kanalabstand und Temperatur Werden die verschiedenen SoS-Eintrittstemperaturen bei gleichem Massenstrom und gleichem Kanalabstand verglichen, so ist ƞ bei einer Temperatur von 36 C immer geringer als bei 53 C. Somit verhält sich die modifizierte Rückwärmezahl ƞ umgekehrt zur Temperatur der Sorptionsseite im Vergleich zum Wirkungsgrad ε der Wärmeübertragung, der bei geringeren Temperaturen höher ist. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

119 Die größte modifizierte Rückwärmezahl ƞ wird somit bei hoher Eintrittstemperatur, großem Kanalabstand und somit geringer Strömungsgeschwindigkeit sowie generell bei kleinen Massenströmen erreicht, die kleinste modifizierte Rückwärmezahl ƞ im genau umgekehrten Fall. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Für die Anwendung am ECOS-System, bei dem üblicherweise die Volumenströme von Zuluft und Abluft äquivalent sind, ließe sich eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit daher nur durch eine Querschnittsänderung erreichen. Aus den Versuchen mit unterschiedlichen Kanalabständen konnten somit neue Erkenntnisse für die Optimierung des Wärmeübertragers im Hinblick auf seine Geometrie gewonnen werden Vergleich der Wärmeübertragung ohne und mit Verdunstungskühlung Bisher wurden die Ergebnisse der Versuche ohne und mit Verdunstungskühlung unabhängig voneinander betrachtet. Abschließend erfolgt eine Analyse, welche Auswirkung die Verdunstungskühlung auf das Verhalten des Wärmeübertragers hat. Dazu werden die Ergebnisse der reinen Wärmeübertragungsversuche den Ergebnissen aus den Verdunstungskühlungsversuchen gegenübergestellt. Für die Analyse werden die erreichte Temperaturabsenkung des SoS-Luftstroms und die Kühlleistung herangezogen. Für die Verdunstungskühlungsversuche sind die Ergebnisse beider Kanalabstände dargestellt, so dass diese ebenfalls bzgl. der Temperaturabsenkung und der Kühlleistung betrachtet werden können. Die gewählten Versuche der Abbildung 94 und Abbildung 95 wurden alle bei einer SoS-Eintrittstemperatur von 53 C durchgeführt. Abbildung 94: Temperaturabsenkung auf der Zuluftseite (SoS) bei Variation des Massenstroms Betrachtet wurde die Temperaturabsenkung zwischen der SoS-Eintrittstemperatur und der SoS-Austrittstemperatur im Zuluftstrom. Es ist deutlich zu erkennen, dass mit steigendem Volumenstrom die Temperaturabsenkung abnimmt. Dies resultiert aus der Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

120 kürzeren Verweildauer der Luft im Wärmeübertrager. Für die Wärmeübertragung von der Zuluftseite (SoS) auf die kühlere WS-Seite sind größere Volumenströme und somit kürzere Verweildauern von Nachteil. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Gut zu erkennen ist der Unterschied der Luftkühlung bei reiner Wärmeübertragung und der Verdunstungskühlung. Je nach Kanalabstand ist die Temperaturabsenkung der Verdunstungskühlung um 25% bis 30% größer, verglichen mit der reinen Wärmeübertragung. Auch lässt sich wieder der Vorteil von größeren Kanalabständen beobachten, da die Temperaturabsenkung bei 9 mm größer ist als die bei einem Abstand von 4,5 mm. Abbildung 95: Kühlleistung bei Variation des Massenstroms Die in Abbildung 95 dargestellte Kühlleistung nimmt entgegen den bisher aufgeführten Kennzahlen mit steigendem Massenstrom zu. Das Verhältnis von Luftkühlung zu Verdunstungskühlung beträgt etwa 2 zu 3. Auch zeigt sich, dass der größere Kanalabstand von 9 mm auf der Abluftseite (WS) mit einer etwas höheren Kühlleistung korreliert Weiterentwicklung und Optimierung des Verfahrens der Verdunstungskühlung Die Untersuchung der indirekten Verdunstungskühlung erfolgte bisher jeweils an der Komponente Wärmeübertrager, da die durch die Verdunstungskühlung erzielte Wärmeabfuhr eine wesentliche Triebkraft für die Effektivität des Adsorptionsvorganges dargestellt hat. Da aber für einige Anwendungsfälle die Kühlleistung neben der Entfeuchtung ein entscheidendes Kriterium darstellt, wurde hierauf ein Fokus der Arbeiten gelegt. Ziel war es, eine zusätzliche Verdunstungseinheit auf der Abluftseite vor dem Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

121 Wärmeübertrager zu installieren und mit dieser eine möglichst effektive Abkühlung der Luft zu erreichen. Die dafür notwendigen Arbeiten waren in folgende Schritte unterteilt: Bericht Teilprojekt 2 Neues, Recherche zu marktverfügbaren Materialien und Lösungen zur Verdunstungskühlung Auswahl geeigneter Materialien und Kontakt mit Herstellern Umbau des Versuchsstandes und Anpassung an Untersuchungen zur Verdunstungskühlung inklusive Anpassung der Messtechnik Einbau eines speziellen Materials zur Verdunstungskühlung direkt im Luftstrom Grundsätzlich stehen verschiedene technische Lösungen für die Verdunstungskühlung zur Verfügung, jedoch lassen sich nicht alle problemlos in einen Luftkanal bzw. in ein Lüftungsgerät implementieren. Folgende Varianten stehen zur Verfügung: Verdunstungsbefeuchter o Selbstansaugende Verdunstungselemente o Benetzte Verdunstungselemente o Berieselte Verdunstungselemente Füllkörperkolonnen Rieselfilmbefeuchter Zerstäubungsbefeuchter o Zerstäuberdüsen o Ultraschallbefeuchter Das Prinzip der Zerstäuberdüsen wurde bei den bisher untersuchten Wärmeübertrager- Prototypen angewendet, benötigt aber bei Einsatz in einem Luftstrom eine Mindestlänge für die komplette Verdunstung. Die Ursache liegt hierbei darin, dass das Wasser lediglich in feine Tröpfchen zerstäubt wird, die dann auf Grund ihrer Eigenmasse bzw. durch den Luftstrom bewegt werden und währenddessen verdunsten. Für den angestrebten Einsatzfall wurde auf Grund der begrenzten Baulänge auf eine Lösung mit fest im Kanal eingebauten Verdunstungselementen orientiert, die zunächst mittels der vorhandenen Zerstäuberdüsen befeuchtet werden. Von der Firma Walter Meier wurde ein serienmäßiges Verdunstungselement (Abbildung 96), welches aus einer Vielzahl von formbeständigen Fleecelagen besteht, zur Verfügung gestellt, das aber auf Grund der Baugröße nicht direkt in den Kanal integriert werden konnte. Daher wurden die einzelnen Lagen entnommen und in den Kanalabschnitt eingebaut (Abbildung 97). Die einzelnen Lagen bestehen aus einem nicht Wasser abweisenden Kunstfasermaterial, welches auf Grund der sehr offenen Struktur Wasser zwischen den einzelnen Fasern aufnehmen kann und damit den Verdunstungsprozess fördert. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

122 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 96: Verdunstungskörper der Firma Walter Meier (links) und einzelne Lage des Verdunstungskörpers (rechts) Abbildung 97: Einbau des Verdunstungselementes in den Kanalabschnitt; Links: Blick von unten mit Haltenetz, Rechts: Ansicht aus der Anströmrichtung von oben Um den vorhandenen Teststand weiter zu nutzen erfolgte die Platzierung des Verdunstungskörpers im Abluftstrang unterhalb des Düsenstockes. Das hat den Vorteil, dass damit eine optimale Benetzung des Verdunstungskörpers gewährleistet ist und überschüssiges Wasser nach unten ablaufen kann. Der Verdunstungskörper selber erzeugt nur einen geringen Druckverlust, der im Versuchsaufbau vernachlässigt werden kann. Messstellen für die Temperatur befinden sich oberhalb und unterhalb des Verdunstungskörpers, die Feuchtemessung erfolgt oberhalb des Düsenstockes und unterhalb des nachgeschalteten Wärmeübertragers. Bei ersten Vorversuchen hatten sich Undichtigkeiten in der Luftführung gezeigt, die zu einer wesentlichen Verfälschung der Wärmebilanz führten. Nach aufwändigen Abdichtungsmaßnahmen konnte die Reproduzierbarkeit der Messungen wieder gewährleistet werden. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

123 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 98: Aufbau des Teststandes mit eingebautem Verdunstungskörper im Kanalabschnitt über dem Wärmeübertrager Der in den Luftkanal eingebaute Verdunstungskörper SH2 des Herstellers Condair (Anbieter Walter Meier) besitzt auf Grund seiner fleeceartigen Struktur eine verhältnismäßig hohe Speicherkapazität für Wasser. Ein Kilogramm der Verdunstungsmatten kann etwa 6 kg Wasser aufnehmen. Nach vollständiger Benetzung des Verdunstungskörpers besteht daher die Möglichkeit, die Befeuchtungspumpe für einen Zeitraum von bis zu 11 min auszuschalten, ohne dass am Austritt des Verdunstungskörpers ein Temperaturanstieg auftritt. Würde die Befeuchtungspumpe im Intervallbetrieb gefahren, könnten damit wesentliche Einsparungen von Energie und Wasser erreicht werden. Die Tabelle 31 gibt einen Überblick über die Hauptversuche und die jeweilige Parametervariation. Es wurden folgende Parameter variiert, wobei jeweils nur ein einzelner Parameter verändert wurde: Abluftfeuchte (x_ws), Ablufttemperatur (T_WS), Außenlufttemperatur (T_SoS), Außenluftmassenstrom (m_sos) und Abluftmassenstrom (m_ws). Die grafische Darstellung der Ergebnisse in den folgenden Diagrammen entspricht in der Reihenfolge der Auflistung in der Tabelle. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

124 Versuch m_sos m_ws T_SoS_in T_WS_in x_sos_in x_ws_in p_düse Tabelle 31: Hauptversuche zur direkten Verdunstungskühlung Bericht Teilprojekt 2 Neues, [kg/h] [kg/h] [ C] [ C] [g/kg] [g/kg] [bar] V Umgebung 6 2 V Umgebung 9 2 V Umgebung 10 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 14 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 V Umgebung 12 2 Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

125 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 99: Kühlleistungen in Abhängigkeit der Parametervariationen Aus der Abbildung 99 wird deutlich, dass die Variation der Außenlufttemperatur den größten Einfluss auf die erreichbare Kühlleistung hat. Trotz der teilweise hohen erreichbaren Kühlleistungen können jedoch nicht gleichzeitig ausreichend niedrige Zulufttemperaturen erreicht werden, wie aus der Abbildung 100 deutlich wird. Abbildung 100: Zulufttemperaturen in Abhängigkeit der Parametervariationen Vergleicht man diese Ergebnisse mit denen der indirekten Verdunstungskühlung auf der Oberfläche des Wärmeübertragers aus vergangenen Versuchsreihen, so wird deutlich, dass die Kühlleistungen bei der vorgeschalteten direkten Verdunstungskühlung etwa 100 W geringer sind. Die wesentliche Ursache hierfür ist der bessere Wärmeübergang bei direkter Verdunstung auf der Wärmeübertrageroberfläche. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

126 Für die verschiedenen Parametervariationen ergeben sich modifizierte Rückwärmezahlen im Bereich zwischen 0,65 und 0,79. Die höchsten Werte ergeben sich bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen der Außenluft und der Abluft. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 101: Rückwärmezahl in Abhängigkeit von Variationen der Feuchte und Lufttemperatur 3.8 Entwicklung und Optimierung von sorptiven Beschichtungen für offene Systeme Die Auswertung der Sorptionsmessungen der untersuchten Wärmeübertrager (Prototyp I, II, III und IV) offenbarte deutlich die Notwendigkeit einer ausreichenden Menge an Sorptionsmaterial bei gleichzeitig geringer Masse des Wärmeübertragers. Bei der Masse des Sorptionsmaterials ist nicht allein die Schichtdicke entscheidend, sondern die für die Adsorption verfügbare Oberfläche des Adsorbens sowie die Zugänglichkeit der Poren, um eine daraus resultierende zeitliche Limitierung des Adsorptionsvorganges zu verhindern. Ein weiterer entscheidender Faktor ist das verwendete Sorptionsmaterial und dessen Ad- bzw. Desorptionseigenschaften. Die bisherigen Ergebnisse haben gezeigt, dass sich Silikagel für den Einsatz in einem offenen System in Kombination mit Desorptionstemperaturen im Bereich zwischen 60 und 80 C sehr gut eignet, die bisher untersuchten Zeolithe hingegen auf Grund der sehr steilen Sorptionskurve und des daraus resultierenden engen Arbeitsbereiches nur begrenzt einsetzbar sind. Wie bereits in Abschnitt und in Zwischenberichten ( und ) dargestellt, eignen sich die bekannten Zeolithe nicht optimal für die Anwendung in offenen Systemen. Entgegen der ursprünglichen Planung im Projektantrag erfolgte daher die Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

127 Entscheidung, die vom Hersteller UOP zur Verfügung gestellte Sorptionsfolie mit einem Y-Zeolithen nicht für den Bau eines weiteren Wärmeübertragers zu nutzen. Die folgenden Gründe haben außerdem wesentlich zu dieser Entscheidung beigetragen: Der Bau eines Wärmeübertragers per Hand ist mit einem extrem hohen Aufwand verbunden (Erfahrungen aus dem bisherigen Projektverlauf), da dabei folgende Probleme auftreten: Bericht Teilprojekt 2 Neues, Schwierigkeiten, die notwendigen Grundmaterialien zu beschaffen, wie: o Aluminiumfolie o Abstandswelle, möglichst aus Kunststoff o 3M-Klebefolie Außerdem stellt die manuelle Fertigung der Wärmeübertrager (inkl. Beklebung mit dem Sorptionsmaterial) keine industriell umsetzbare Fertigungsmöglichkeit dar und kann daher auch nicht in einem späteren Stadium an einen potentiell interessierten Industriepartner transferiert werden. Wie die Herstellung des Prototyp III gezeigt hatte, ist zwar die Beschichtung einzelner Blechfolien möglich, jedoch ist der Aufwand für den nachträglichen Zusammenbau unverhältnismäßig groß. Die einzige Möglichkeit, das entwickelte System ECOS für einen Industriepartner interessant zu machen besteht daher in der industriellen Beschichtung von industriell gefertigten Luft-Luft-Wärmeübertragern. Die Firma SorTech AG, die auch schon als Beschichtungspartner im Projekt gedient hat, ist der einzige Anbieter, der sorptive Beschichtungen auf einem kompletten Wärmeübertrager realisieren kann. Wie bereits in früheren Berichten dargelegt, stellt Silikagel als Sorptionsmaterial die derzeit beste Lösung für offene Systeme dar, wenn mit Antriebstemperaturen für die Desorption im Bereich zwischen 60 und 80 C gearbeitet wird. 3.9 Optimierung der thermischen Massen am Wärmeübertrager Das Ziel der Arbeiten in diesem Arbeitspaket war die Evaluierung von Möglichkeiten zur Verringerung der thermischen Masse der Wärmeübertrager bei gleichzeitiger Verbesserung des Wärmetransportes. Konstruktive Maßnahmen hierfür können beispielsweise andere Materialien oder auch andere Geometrien der Wärmeübertrager sein. Auf Grund der Beschränkung der Beschichtungstechnologie (Epoxidharzbeschichtung) und der damit verbundenen thermischen Belastung während des Beschichtungsvorganges mussten Wärmeübertrager aus Kunststoff ausgeschlossen werden. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

128 Werden die Wärmeübertrager aus Aluminiumfolie gefertigt, sind unterschiedliche Geometrien zur Gewährleistung der Plattenabstände möglich. Eine Variante besteht darin, ein Wellenprofil als Abstandshalter zwischen die einzelnen Plattenlagen einzulegen, wie vom Hersteller Enerko GmbH, die andere Möglichkeit ist die direkte Prägung von Stützstrukturen in die einzelnen Plattenlagen, wie vom Hersteller Klingenburg GmbH. Eine weitere Optimierung würde sich ergeben, wenn die zwischenliegenden Wellenprofile über ein Lötverfahren thermisch optimal mit den einzelnen Plattenlagen verbunden wären. Leider bietet keiner der bekannten Hersteller diese Möglichkeit an. Bericht Teilprojekt 2 Neues, 3.10 Eigenentwicklung von Beschichtungstechnologie Ein Ziel innerhalb des Projektes bestand unter anderem in der Entwicklung einer geeigneten Beschichtungstechnologie für komplexe Strukturen, wie beispielsweise Plattenwärmeübertrager mit einer Abstandsstruktur. Grundlage des ECOS Prinzips ist eine gute thermische Ankopplung zur nahezu isothermen Entfeuchtung. Daher ist eine gute Wärmeankopplung des Materials an den Wärmeübertrager von Vorteil. Bisheriger Stand der Technik sind hierbei noch Klebungen des Adsorptionsmaterials als Granulat auf einem Lamellenwärmeübertrager. Der Wärmetransport findet hierbei zumeist über Punktkontakte mit der Oberfläche statt. Daher sollte in diesem Arbeitspaket die Kompetenz zur Fertigung von Sorptionsschichten am Fraunhofer ISE geschaffen werden. Die Arbeiten umfassten die Evaluierung passender Bindersysteme, die Durchführung von Beschichtungsversuchen sowie die labortechnische Analyse der beschichteten Proben. Weiterhin sollte eine Optimierung der Beschichtungstechnologie für speziell strukturierte Oberflächen durchgeführt werden, um beispielsweise Plattenwärmeübertrager oder komplexere Strukturen beschichten zu können. Die geplanten Arbeiten umfassten im Wesentlichen folgende Punkte: 1. Evaluierung der geeigneten Beschichtungsverfahren im Hinblick auf das zu verwendende Sorptionsmaterial und die Trägerstruktur für offene Systeme (Recherche und Test) 2. Beschichtungsversuche (Beschichtung mit aktivem Sorptionsmaterial) 3. Charakterisierung von beschichteten Proben (Untersuchung der Kinetik, der Sorptionsgleichgewichte und der Zyklenstabilität) 4. Anpassung der Coating-Anlage auf komplexe Oberflächenstrukturen, z. B. durch Veränderung der Viskosität der Suspension Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

129 Evaluierung der geeigneten Beschichtungsverfahren (Recherche und Test) Bericht Teilprojekt 2 Neues, Es wurde zunächst eine Literaturrecherche sowohl der vorhandenen Beschichtungstechnologien als auch der möglichen Binder durchgeführt. In der Literatur sind verschiedene Verfahren bekannt. Im industriellen Umfeld wird beispielsweise das Kleben von Granulaten mit Epoxid- und Acrylatharzen eingesetzt. Allerdings ist das Harz sehr schlecht wärmeleitend und zeigt teilweise ein Verkleben der Poren, so dass die Wasserdampfdiffusion behindert wird. Eine neuere Entwicklung hierzu stellt die Direkt-Beschichtung basierend auf der direkten Synthese des Zeolithen auf der Wärmetauscheroberfläche der Firma Sortech dar [Bauer et al. 2009]. Allerdings ist diese Methode prinzip-bedingt auf Aluminiumwärmetauscher oder Wärmeübertrager mit aufgebrachter Aluminiumoberfläche beschränkt. Ebenfalls eine neuere Entwicklung stellt die vermutlich binderbasierte Beschichtung der Firma Viessmann dar [Dawoud 2010, Freni et al. 2013]. Im wissenschaftlichen Umfeld wurde intensiv an der Entwicklung von Beschichtungssystemen gearbeitet. Als Beschichtungsverfahren werden sowohl supensionsbasierte (ex situ) als auch Aufkristallisationsverfahren (in situ) angewendet. Bei den ex situ Verfahren wird die Herstellung des aktiven Sorptionsmaterials und der Beschichtung in zwei getrennten Schritten durchgeführt. Das aktive Material wird dann mit Hilfe eines Haftvermittlers wie zum Beispiel Polyvinylalkohol auf die entsprechende Oberfläche aufgebracht. Gängige Methoden hierzu sind zum Beispiel Tauchbeschichtung (dip-coating), Sprühbeschichtung (spray-coating) oder Kleben [Dawoud 2010, 2013, Dawoud et al. 2011, Freni et al. 2010, 2013, Van Heyden et al. 2009]. Bei den in situ Verfahren wird die Synthese des Sorptionsmaterials und die Beschichtung in einem Schritt erreicht, d.h. das Material wird direkt auf der entsprechenden Oberfläche aufkristallisiert. Hierbei kann in weitere Verfahren unterschieden werden, je nachdem ob eine Vorbehandlung, Keimschichten oder ein konsumptives Verfahren eingesetzt wird [Bauer et al. 2009, Erdem-Sentalar et al. 1999, Tatlier et al. 1999, Bonaccorsi et al. 2004, 2006, 2010, 2011]. Neben der reinen Materialsynthese stellt die Beschichtung von Trägerstrukturen wie z.b. Wärmeübertragerstrukturen einen wichtigen Entwicklungspfad dar, der idealerweise nicht entkoppelt von der Synthese verfolgt werden sollte. Als Ergebnis dieser Recherchen konnten zwei mögliche Bindersysteme identifiziert werden, die im Folgenden kurz erläutert werden. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

130 1) Böhmite und Pseudoböhmite Böhmit ist ein in der Natur häufig vorkommendes Mineral. Bei Böhmiten handelt es sich um ein Aluminiumoxidhydroxid mit der Summenformel AlO(OH) in der - Modifikation. Aluminiumoxidhydroxid kann durch Dehydratation von Aluminiumtrihydroxid Al(OH) 3 gewonnen werden. Der Böhmit stellt eine Zwischenstufe des Dehydratationsprozesses von Al(OH) 3 zu Al 2 O 3 dar. Der Begriff Pseudoböhmit bezeichnet chemisch synthetisierte, pulverförmige Böhmite, mit kleinen Partikeldurchmessern. Diese können, je nach Verfahren, Partikelgrößen von 20 nm bis zu einigen µm aufweisen. Die Partikel werden nach der Synthese sprühgetrocknet und sind in Wasser wieder gut dispergierbar. Für die Beschichtungsversuche wurde das kommerzielle Produkt Apyral AOH 180E der Firma Nabaltec benutzt. Nach Herstellerangaben liegt der Durchmesser der dispergierten Partikel bei D 50 = 0,6 µm. Die BET-Oberfläche beträgt 18 m²/g, die Dichte ist 3,0 g/cm³. Laut Hersteller ist die Redispergierung in Wasser der sprühgetrockneten Partikel in saurer Umgebung besser zu bewerkstelligen als in neutraler. A180E reagiert in Wasser schwach basisch. Bericht Teilprojekt 2 Neues, 2) Polyorganosiloxane und Silikonharze Bei Polyorganosiloxanen handelt es sich um Polymere aus Silicium und Kohlenstoff. Die Monomereinheiten werden als Siloxane bezeichnet und haben die allgemeine Summenformel R n SiO (4-n)/2 für n = 0, 1, 2, 3 wobei R einen organischen Rest darstellt. Bei dieser Summenformel muss berücksichtigt werden, dass die Verbindung zwischen zwei Siloxaneinheiten immer über ein Sauerstoff-Atom erfolgt. Siloxaneinheiten können somit ein bis drei weitere Substituenten neben der Sauerstoffverbrückung besitzen. Die Einteilung in mono-, di- und trifunktionelle Gruppen erfolgt anhand der Anzahl möglicher Sauerstoffbindungen. Im Gegensatz zu anorganischen Siliciumverbindungen, wie Silikaten und Kieselsäuren, kommen Silikone in der Natur nicht vor. Silikonharze werden hauptsächlich in der Papierbeschichtung zur Einstellung der Oberflächenklebrigkeit eingesetzt. Wichtigste Anwendung sind Dehäsive, zum Beispiel bei nichtklebenden Trägern für Klebeetiketten. Andere Harze, wie beispielsweise DT-Harze kommen zum Einsatz in temperaturbeständigen Beschichtungen bis 200 C und Elektroisolierlacken. Für den Bautenschutz sind sie interessant, weil sie die Möglichkeit einer hydrophoben Beschichtung bieten, die trotzdem eine Wasserdampfpermeation durch das Mauerwerk zulässt. Letztere Eigenschaft macht sie interessant für die Wasserdampfadsorption. Als Binder wurde ein kommerziell erhältliches Methyl-Silikonharz ausgewählt, das kompatibel mit wässrigen Dispersionen ist. Beide Bindersysteme wurden im Folgenden als Bindersysteme für die Beschichtung mit einem Y-Zeolith und einem SAPO-34 erprobt. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

131 Beschichtungsversuche (Beschichtung mit aktivem Sorptionsmaterial) Als Materialien für die Beschichtungsversuche wurde zunächst ein Y-Zeolith-Pulver der Firma Zeolyst ausgewählt, da es eines der wenigen großtechnisch verfügbaren Zeolith- Pulver ist, die einen kleinen Kristall-Durchmesser um die 1,5 µm besitzen. Laut Herstellerangaben besitzt dieser Zeolith ein SiO 2 /Al 2 O 3 Stoffmengenverhältnis von 5,1. Als Gegenkation wurde hier Na + verwendet, das einen Anteil von 13 Gew.% hat. Die BET- Oberfläche des Materials beträgt 900 m²/g. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Die Adsorptionscharakteristik des reinen Pulvers wurde an der Thermogravimetrie Apparatur TG-DSC 111 der Firma Setaram vermessen und zeigt das typische Verhalten eines stark hydrophilen Y-Zeolithen. Schon bei sehr niedrigen relativen Dampfdrücken werden hohe Beladungen erreicht. Aufgrund ihrer Hydrophilie zeigen sie sehr gute Adsorptionskinetik Eigenschaften bei atmosphärischen Drücken. Allerdings sind die benötigten Regenerationstemperaturen sehr hoch. Für den Sorptionsprozess in dem offenen ECOS-System ist die Kinetik von Vorteil, aber es ist schwierig die Ausheiztemperaturen von mehr als 150 C zu erreichen, um das Material ausreichend zu trocknen. Das ECOS-System war in diesem Fall für niedrige Antriebstemperaturen ausgelegt. Mit einer Modifizierung des ECOS-Systems (anderes Wärmetauscher-Design, anderer Solarkollektor) können aber auch diese Ausheiztemperaturen erreicht werden, und somit von der guten Kinetik profitieren. Die maximale Wasserdampfaufnahme beträgt hierbei 0,29 g/g. Mit dem Produkt AQSOA -Z02 der Firma Mitsubishi Plastics, INC. wurde ein weiteres Adsorptionsmaterial erprobt. Hierbei handelt es sich um ein Silicaaluminophosphat, genauer ein SAPO-34, ein zeolithartiges poröses Material mit einer Chabazit-Struktur. Über Herstellung und Zusammensetzung sind keine weiteren Informationen des Herstellers verfügbar. Der Teilchendurchmesser wurde mit D 50 = 2,3 µm gemessen. Dieses Material wurde ausgewählt, da es bereits auf Zyklen für die Anwendung in einer adsorptionsbetriebenen Kälteanlage getestet wurde und eine sehr gute Wasserund Langzeitzyklen-Stabilität im Gegensatz zu anderen SAPO-34 - Zeolithen aufweist. Dieser SAPO zeigt bei niedrigem Dampfdruck einen eher schwachen Anstieg der Adsorption und erreicht ein erstes Plateau bei einem relativen Dampfdruck von ca wobei die maximale Kapazität von 0,32 g/g nur bei höheren Dampfdrücken erreicht wird. Dieses Material benötigt zwar auch höhere Antriebstemperaturen als das bisher verwendete Silikagel, kann aber gut zwischen 90 C und 120 C betrieben werden. Die Adsorptionscharakteristiken der beiden Materialien sind in Abbildung 102 dargestellt. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

132 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 102: Wasserdampfaufnahme der ausgewählten Sorptionsmaterialien Zeolyst Y-Zeolith (Zeo-01) sowie AQSOA-Z02 SAPO-34 (Mit-01). Dargestellt ist die isobare Adsorption unter Atmosphärendruck in einem befeuchteten Gasstrom mit Ar als Trägergas und einer absoluten Feuchte von 12 mbar. Die Beschichtungen wurden zur besseren Reproduzierbarkeit im Labor auf definierten mm Platten durchgeführt, deren Legierungszusammensetzung bekannt war. Als Platten wurden hierbei rein-aluminium mit 99.8% Reinheit verwendet (Al-rein) und AlMg3, eine Aluminium-Legierung mit 3% Magnesium. AlMg3 ist härter und mechanisch besser zu verarbeiten, weswegen es häufiger eingesetzt wird. Die Al-rein Bleche wurden mit Iso-Propanol gewaschen und anschließend in H2O bei 95 C hydratisiert. Dadurch bildet sich aus der Al 2 O 3 -Schicht an der Oberfläche auch ein Böhmit. Die AlMg3-Bleche wurden auch mit Isopropanol gewaschen, dann allerdings in wässriger NaOH-Lsg (1mol/l) für 1 min angeätzt, um die Benetzung der Oberfläche zu verbessern. Für die Beschichtungen mit dem Böhmit-Binder wurde der Y-Zeolith Zeo-01 verwendet. Der Y-Zeolith hat mit ca. 1 µm wesentlich kleinere Partikeldurchmesser als das SAPO- 34-Pulver und ist zudem hydrophiler, wodurch eine gute Verarbeitbarkeit und Stabilität der Dispersion erreicht werden kann. Aufgrund der kleinen Partikelgröße eignet sich das Spray-Coating Verfahren mit schneller Trocknung. Durch mehrfaches Besprühen durch eine mit Druckluft betriebene schmale Düse werden homogene geschlossene Schichten erreicht. Dip-Coating ist ungeeignet, da der Feststoffanteil zu gering ist und die Schichten selbst bei mehrfachem Dippen nicht aufwachsen. Die Ausheiztemperatur wurde nicht höher als 200 C gewählt, da bis 500 C keine Verbesserung der Haftung der Beschichtung auftrat. Ab 600 C kam es zu einer verstärkten Oxidation der Alumi- Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

133 niumplatte. Als Trägermetall eigneten sich nur die vorbehandelten rein- Aluminiumplatten. Aufgrund der Hydratation der Al 2 O 3 -Oberfläche zu Böhmit, kann man eine gute Anbindung des Pseudoböhmits an das reine Aluminiumblech erwarten. AlMg3-Bleche wurden als Vergleich zum zweiten Beschichtungssystem zusätzlich verwendet. Auf Edelstahl konnte keine ausreichende Haftung erzielt werden. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Das Binder-Adsorptionsmaterialverhältnis wurde über einen großen Bereich variiert, um ein Optimum zwischen Binder-/Adsorptionsmaterial-Verhältnis und der Stabilität zu erreichen, da mit größerem Binderanteil die Stabilität entsprechend erhöht gleichzeitig aber auch die passive Masse erhöht wird. (siehe Tabelle 32). Hinsichtlich der Beladungskapazität sind geringe Binderanteile zu bevorzugen. Tabelle 32: Probenbezeichnung, Einwaagen und Feststoffanteile der Beschichtungen mit A180E als Binder und Zeo-01 Einwaage A180E in g Einwaage Zeo-01 in g Einwaage Pulver + H2O dest. in g Gesamtfeststoffgehalt der Dispersion in Gew.% Feststoffanteil von Zeo-01 in Gew.% Feststoffanteil von A180E in Gew.% HK-B-50 3, ,092 20,4 0,0 100,0 HK-B-51 2,774 0,23 15,127 19,9 7,7 92,3 HK-B-52 2,282 0,719 15,467 19,4 24,0 76,0 HK-B-53 1,586 1,547 16,147 19,4 49,4 50,6 HK-B-54 0,729 2,406 15,009 20,9 76,7 23,3 HK-B-55 0,282 2,724 15,103 19,9 90,6 9,4 Für die Beschichtungen mit dem Silikonharz-Binder Silres MP50 wurde das SAPO-34 Pulver Mit-01 verwendet. Dieses zeigte in den Vorversuchen eine sehr gute Verträglichkeit mit dem Binder. Der SAPO-34 eignet sich zudem besser für Niedrigtemperaturanwendungen und wurde deswegen bevorzugt verwendet. Vorversuche zeigten, dass der Binder in Kombination mit Mit-01 selbst in geringen Anteilen noch sehr stabil ist und ebene, homogene Schichten ausbildet. An dieser Stelle wurde versucht den Binderanteil möglichst gering zu halten, um die Adsorptionskapazität des reinen Pulvers zu erreichen. Die manuelle Auftragung der Beschichtung hat sich als die im Labormaßstab geeignetste Methode herausgestellt. Durch Aufbringen einer definierten Menge an Dispersion lassen sich reproduzierbare Schichtdicken erzeugen. Spray- und Dipcoating führen hier nicht zum Erfolg, da die erste Lage nach dem Aushärten hydrophob wird und keine zweite Schicht mehr haftet. Die hydrophoben Eigenschaften treten durch Ausheizen bei 200 C stärker hervor. Ab 250 C tritt eine deutliche Braunfärbung auf, so dass man von einer Zersetzung (zumindest einer enthalten Komponente) des Materials ausgehen kann. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

134 Die Beschichtung hatte eine gute Haftung sowohl auf AlMg3 als auch auf Edelstahl. Auch hier wurde das Binder-Adsorptionsmaterialverhältnis über einen großen Bereich variiert, um ein Optimum zwischen Binder-/Adsorptionsmaterial-Verhältnis und Stabilität zu erreichen (siehe Tabelle 33). Hinsichtlich der Beladungskapazität sind auch hier geringe Binderanteile zu bevorzugen. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Tabelle 33: Probenbezeichnung, Einwaagen und Zusammensetzung der Dispersionen mit Mit-01 und MP50 als Binder Einwaage Mit-01 in g Einwaage H 2 O + Mit-01 in g Einwaage MP50 in g Gesamtfeststoffgehalt Dispersion in Gew.% Feststoffanteil von Mit- 01 in Gew.% Feststoffanteil von MP50 in Gew.% HK-B ,0 0,0 100,0 HK-B-61 3,1252 9,380 2,039 36,3 75,4 24,6 HK-B-62 3,1684 9,626 0,675 34,0 90,4 9,6 HK-B-63 2,9941 9,134 0,329 33,4 94,8 5,2 HK-B-64 3,0248 9,263 0,148 32,9 97,6 2, Charakterisierung von beschichteten Proben (Untersuchung der Kinetik, der Sorptionsgleichgewichte und der Zyklenstabilität) Beschichtungen mit Pseudoböhmit und Zeolith Das Spray-Coating mit Zeo-01 und A180E als Binder ergab geschlossene, reinweiße, homogene Schichten. Zwischen den Proben HK-B-50 bis HK-B-54 ließ sich optisch kein Unterschied zwischen den Schichten feststellen. Bei HK-B-55 dagegen war die Oberfläche sehr viel rauer. Nach dem Trocknen wurden Tests zur mechanischen Stabilität in Form eines Falltestes durchgeführt. Die Beschichtungen auf Al-rein-Blechen zeigten alle eine geringe mechanische Belastbarkeit. Abbildung 103 zeigt exemplarisch die Beschichtung von HK-B-50 vor und nach dem Fall-Test. Bei mehr als 50 Gew.% Zeo-01 sind die Schichten auf AlMg3 zwar noch stabil, aber es kommt zu einem leichten Abfallen von Pulver. Auch sind alle Beschichtungen empfindlich gegenüber Wasser, da mit dem abfließenden Tropfen größere Mengen Material weggewaschen werden. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

135 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 103: Beschichtung HK-B-50 auf vorbehandeltem Al-rein- und AlMg3-Blech. a) Probe direkt nach dem Trocknen. b) Probe nach dem Fall-Test aus 30 cm Höhe. Deutlich ist hier ein Abplatzen der Beschichtung auf dem Al-rein-Blech zu sehen, während die Schicht auf dem AlMg3-Blech noch unversehrt ist. Bei allen Proben lässt sich weiterhin ein größerer Abrieb feststellen. Die Charakterisierung der Masse und Schichtdicke ergab keine reproduzierbaren Ergebnisse, da die Oberfläche sehr weich ist, und man daher mit jedem Arbeitsschritt Material von der Oberfläche abreibt. Dennoch konnten die Beschichtungen mit A180E mittels des Spray- Coating-Verfahrens gut durchgeführt werden. Der Binder weist allerdings eine niedrige mechanische Stabilität sowie eine gewisse Wasserempfindlichkeit auf. Um die Adsorptionseigenschaften der Beschichtungen zu bewerten, wurden an den verschiedenen Proben jeweils isobare Ad- und Desorptionsmessungen bei 12 mbar in einer geschlossenen Rubotherm Thermowaage durchgeführt. Die Isobaren sind in Abbildung 104 dargestellt. Zusätzlich wurde hier eine Adsorptionsmessung des reinen Zeolithpulvers als Referenz eingefügt, die an der TG-DSC 111 durchgeführt wurde. Im Betrieb in einer geschlossenen Anlage ohne Kontakt zu flüssigem Wasser ist die Wasseradsorption ohne Zerstörung der Probe denkbar. HK-B-50, also reines A180E nimmt kein Wasser auf. Mit steigendem Zeolith-Gehalt nimmt die Beladung proportional zu. Wenn man die Beladung auf den Anteil des Zeolith-Pulvers in der Schicht umrechnet, so zeigt sich hier nahezu kein Einfluss des Binders. Somit kann davon ausgegangen werden, dass der Binder Porenzugänge des Zeoliths nicht blockiert und somit die Adsorptionsfähigkeit nicht beeinträchtigt wird. Der Verlauf der Beladung ändert sich nicht, er wird nur zu niedrigeren Beladungen hin gestaucht. Der steile Anstieg am Anfang ist bei allen Proben vorhanden. Die starke Hydrophilie des Materials wird somit nicht beeinträchtigt. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

136 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 104: Adsorptionsisobaren der beschichteten Zeolithproben. Aufgetragen ist die Beladung der gesamten Beschichtung (A180E + Zeo-01) gegen den relativen Dampfdruck. Als Vergleichsmessung ist eine Adsorptionsmessung des reinen Pulvers eingefügt. Beschichtungen mit Silikonharz und SAPO-34 Die Beschichtungen mit dem Silikonharz als Binder zeigen sich in allen Kombinationen ebenfalls als sehr vielversprechend. Selbst bei sehr geringen Binderanteilen hielten sie einem Fall aus 30 cm Höhe stand. Auch sonst zeigen sie hervorragende Eigenschaften durch die Wasserunempfindlichkeit und die feste Oberfläche. Abbildung 105 zeigt die Bilder der hergestellten beschichteten Proben wobei Probe HK- B-60 (Abbildung 105 a)) den reinen Binder darstellt. Die Probenträger wurden gewogen und die erhaltene Beschichtungsmasse über die drei erstellten Bleche gemittelt. Die Schichtdicke wurde mit einer digitalen Schiebelehre an drei Punkten auf der Oberfläche gemessen und anschließend gemittelt. Die Proben HK-B-61 bis -64 konnten gleichmäßig getrocknet werden. Man sieht leichte Unebenheiten durch die Trocknungsfront. Je höher der Anteil an SAPO-34, desto weißer sind die Proben. Da verfilmtes MP50 farblos ist, kann dies ein weiterer Beleg dafür sein, dass MP50 bei hohen Temperaturen bräunliche Farbveränderungen aufweist. Die Proben HK-B-60 bis -63 sind gegen mechanisches Eindrücken relativ stabil. Bei HK-B-64 kommt es um die Eindruckstelle herum zu einem leichten Abbröckeln des Materials. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

137 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 105: Bilder der beschichteten Proben: a) Probe HK-B-60, b) Probe HK-B-61, c) Probe HK-B-62, d) Probe HK-B-63, e) Probe HK-B-64. Hinsichtlich der mechanischen Stabilität weisen die hergestellten Beschichtungen hervorragende Eigenschaften auf. Insbesondere die Probe mit einem Binderanteil von 2% überrascht hier, da sie sich in den Eigenschaften kaum von Proben mit höheren Binderanteilen unterscheidet. Die feste und wasserabweisende Oberfläche ist unempfindlich und damit ideal für die Nutzung in einer offenen Sorptionskälteanlage, wo es zu Kondensation kommen kann. Anzumerken ist an dieser Stelle die gute Haftwirkung auch auf anderen Metallträgern und die Verträglichkeit mit weiteren Adsorptionsmaterialien. Die Wasserdampfaufnahmecharakteristik ist ebenfalls exzellent, wie man Abbildung 106 entnehmen kann. Zunächst zeigt die Probe HK-B-60, auf der das reine Bindermaterial als Referenz aufgetragen ist, keine Wasserdampfadsorption. Betrachtet man nun die Proben mit Adsorptionsmaterial und rechnet den Binderanteil raus, liegen die Maximalbeladungen aller vermessenen Proben in derselben Größenordnung wie das reine SAPO Pulver. Somit zeigt sich auch hier, dass der Binder die Poren des Materials nicht penetriert oder obstruiert. Der Verlauf der Beladung zeigt keine große qualitative Veränderung, er wird nur zu niedrigeren Beladungen hin gestaucht. Die leichte Abweichung der Beladungen im Bereich p rel ~ 0,1 ergibt sich wahrscheinlich aus den Unterschieden zwischen der Ad- und der Desorptionsmessung. Eine genaue Quantifizierung dieses Unterschiedes müsste in weiteren Messungen mit wesentlich mehr Gleichgewichtspunkten erfolgen. Die Beschichtungen adsorbieren bei kleinen relativen Dampfdrücken bis 0,15 somit immer noch sehr viel Wasserdampf, was eine Verschlechterung der Hydrophilie ausschließt. Mit der Probe HK-B-64 konnte eine fast identische Beladung wie beim reinen Pulver erreicht werden. Zusammenfassend gilt, dass der Binder die Adsorptionscharakteristik kaum beeinflusst. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

138 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 106: Auswertung der Adsorptionsisobaren der Proben HK-B-60 bis HK-B- 64. Aufgetragen ist die Beladung der gesamten Beschichtung (Binder + Sorptionsmaterial) gegen den relativen Dampfdruck. Als Vergleichsmessung ist eine Adsorptionsmessung von dem Adsorptionsmaterial (Mit-01) und von reinem Binder (HK-B-60) eingetragen. Zusätzlich zur Gleichgewichtscharakterisierung wurde die Dynamik der Proben mit dem Silikonharzbinder in der Kinetikapparatur vermessen. Die Kinetikapparatur arbeitet hierbei nach einer Drucksprungmethode und einem volumetrischen Messprinzip. Die Messzelle wird zunächst evakuiert und temperiert. Danach wird die Probe durch Öffnen eines Ventils zu einer Wasserdampfvorlage einem unmittelbaren Wasserdampfdruck ausgesetzt. Da eine feste Menge Wasserdampfmoleküle (kanonischer Zustand) vorgegeben wird, wird die Adsorption von einer Druckerniedrigung im System begleitet. Aus der Differenz zwischen Startdruck und zeitaufgelöstem Systemdruck kann nach dem idealen Gasgesetz die Beladung der Probe in Abhängigkeit der Zeit berechnet werden. Es wurden die Proben HK-B-61 (75 Gew.% Mit-01), HK-B-63 (95 Gew.% Mit-01) und HK-B-64 (98 Gew.% Mit-01) vermessen. Von allen drei Proben wurde jeweils eine kanonische Adsorptionsmessung mit 17 mbar Wasserdampfstartdruck aufgenommen. Zum Zeitpunkt t = 10 s wurde das Ventil zwischen der befüllten Dosierkammer und der evakuierten Probenkammer geöffnet. Die aus der Druckabnahme errechnete Beladung ist in Abbildung 107 gezeigt. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

139 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 107: Logarithmische Auftragung des zeitlichen Verlaufs der Beladung, berechnet aus der Druckabnahme im Gesamtsystem. Alle drei Proben erreichen 90% des Beladungsumsatzes innerhalb von 60 s, was einen sehr guten Wert für Proben dieser Schichtdicke darstellt. Die Probe HK-B-63 (95 Gew.% Mit-01) erreicht diesen Wert innerhalb von 37,5 s am schnellsten. Die vollständige Beladung erreichen alle Proben in weniger als 100 s. Diese Werte sind zwar immer in Zusammenhang mit dem jeweiligen Aufbau und den Bedingungen zu sehen, stellen aber allgemein zunächst eine sehr gute Adsorptionskinetik dar Anpassung der Coating-Anlage auf komplexe Oberflächenstrukturen, z. B. durch Veränderung der Viskosität der Suspension Im Hinblick auf große Wärmeübertrager und entsprechende Oberflächenstrukturen musste das Beschichtungsverfahren entsprechend angepasst werden. Gleichzeitig musste das Beschichtungsverfahren auch durch den Übergang von kleinem Maßstab - mittels Spray-Coating oder Auftragen - hin zu großen Tauchbeschichtungen stark angepasst und optimiert werden. Hierbei stellte die Übertragung der Beschichtung auf die nächstgrößere Skala ein deutlich größerer Schritt dar als zunächst geplant. Die Adaption wurde daher zunächst auf Musterkanäle durchgeführt, die in einem weiteren Schritt dann die Herstellung eines Wärmeübertragers erlauben. In einem ersten Schritt wurden die Original-Bleche des ECOS-Wärmeübertragers beschichtet. Es wurden sowohl die gewellten Abstandshalterstrukturen verwendet, als auch die Aluminium-Zwischenbleche (sowohl normal, wie auch mit hydrophiler Beschichtung). Diese Bleche wurden zugeschnitten auf mm, da diese Größe für die zur Verfügung Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

140 stehenden Messapparaturen die maximale Größe darstellen. Es sollte hierbei aufgezeigt werden, ob die Beschichtung so wie oben beschrieben möglich und stabil ist oder ob eine weitergehende Hydrophilisierung bzw. Oberflächenbehandlung notwendig ist. Um die Vorbehandlungsweise abzuschätzen, wurden die Bleche aller hergestellten Proben mit Iso-Propanol und mit 1m NaOH vorbehandelt. Bei den gewellten Strukturen verbesserten sich die Benetzung und Haftung deutlich. Die hydrophilisierte Seite der dünnen Alubleche löste sich in NaOH ab. Für die hydrophilisierten Alubleche stellt diese Vorbehandlung somit keine Option für den späteren Beschichtungsprozess dar. Bericht Teilprojekt 2 Neues, Für den Beschichtungsprozess wurden die Beschichtungen mit dem Material Mit-01 und dem Silikonharz als Binder durchgeführt. Der SAPO-34 als Adsorptionsmaterial kann bereits bei 100 C ausreichend getrocknet werden, um eine Luftentfeuchtung zu gewährleisten. Der Silikonharzbinder wurde verwendet, weil die dünnen ECOS-Bleche im Luftstrom Schwingungen und somit auch mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Zusätzlich ist die Beschichtung unempfindlich gegen kondensiertes Wasser, was beim Betrieb der Anlage sonst leicht die Böhmit-Beschichtung beschädigen könnte. Abbildung 108: beschichtete mm Blechzuschnitte des ECOS-WÜ Originalmaterials. a) Beschichtete Alu-Zwischenschicht. b) Beschichteter Alu-Abstandshalter. c) Gestapelte Kanäle aus beschichteten (weiße Beschichtung) und unbeschichteten (blau) Proben. Nach der Auftragung des Beschichtungssystems mit 90 Gew.-% Mit-01 erhält man homogene, geschlossene Oberflächen. Bei beiden Blechtypen ist nach der Beschichtung eine Biegsamkeit der Schichten gewährleistet, so dass sie den Vibrationen in einem Luftkanal standhalten sollte. Die beschichteten Strukturen sind in Abbildung 108 zu sehen. In Abbildung 109 sieht man nochmals die mechanisch belasteten Proben. Hier wurden die Bleche konvex und konkav gebogen. Auch sieht man deutlich, dass die Oberfläche nur schwach benetzt und somit die Beschichtung gut geschützt ist. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

141 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 109: mechanische Belastung der ECOS-Bleche: a) Blech durchgebogen b) Blech nach oben gebogen c) Wassertropfen auf der hydrophoben, kaum benetzenden Oberfläche Um die Stabilität im ECOS-Wärmeüberträger zu testen wurden die Schichten entsprechend Abbildung 110 gestapelt und zusammengepresst. Auch hierbei zeigte sich kein Eindrücken oder Abplatzen der Beschichtung an den Stellen, wo die Abstandshalter auflagen. Abbildung 110: gestapelte mm Schichten entsprechend des ECOS-Systems: abwechseld beschichteter Kanal (weiße Beschichtung) / unbeschichteter Kanal (blau). Für die Bewertung der Qualität der bisherigen Beschichtung wurden die in Abschnitt beschriebenen Proben in der Zyklenapparatur bereits über einen Zeitraum von 2800 Zyklen thermisch zykliert. Dies ist notwendig, um Informationen über die Langzeitstabilität der Beschichtung zu erhalten und gleichzeitig den Einfluss der Betriebsdauer auf die Sorptionskapazität analysieren zu können. Die Veränderung der Sorptionskapazität ist in Abbildung 111 dargestellt. Aus den Messdaten ist eine sehr geringe Abnahme der Sorptionskapazität zu erkennen. Die Abbildung 112 zeigt die Fotos der Proben, jeweils vor und nach der Zyklierung. Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS

142 Bericht Teilprojekt 2 Neues, Abbildung 111: Adsorptionskapazitäten der Probe vor und nach der Zyklierung. Abbildung 112: Beschichtete Proben, links vor und rechts nach der Zyklierung Die Proben zeigen somit bereits eine sehr gute Langzeitstabilität über 2800 Zyklen bei sehr geringer und somit tolerierbarer Abnahme der Sorptionskapazität. Auch sind die Proben immer noch hydrophil, somit vor kondensiertem Wasser geschützt, und biegbar. Nach der hydrothermalen Belastung zeigen sich die Fingerabdrücke vom Handling und Stapeln der Probe als braune Verfärbungen auf der Oberfläche, da das Fett die hohen Temperaturen nicht übersteht. Im Hinblick auf kommerziell verfügbare Standard-Wärmeübertrager-Strukturen aus anderen Bereichen wurden erste Maßstabsvergrößerungen durchgeführt. Ein Standard hierbei sind Kreuzdurchströmte Platte-Steg-Aufbauten in denen verschieden gewellte Aluminiumlamellen als Abstandshalter zum Einsatz kommen. Diese Wärmeübertrager werden in einem Vakuumlötprozess verbunden und sind danach vollständig dicht. Zur Verwendung für diese Wärmeübertrager musste die Kompabilität für die neuen Aluminiumbleche (die eine Lotlegierung beinhalten) sichergestellt werden. Weiterhin Fraunhofer ISE EEKE Task 38 - ECOS