Sorptionsgestützte Klimatisierung

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1 Sorptionsgestützte Klimatisierung Hermann Halozan, Talaat Ibrahim, Richard Krotil Institut für Wärmetechnik, Technische Universität Graz Inffeldgasse 25 B, A-8010 Graz ABSTRACT In Klimaanlagen werden für die Prozesse Entfeuchtung und Abfuhr der Kühllast primär Kompressions-Kaltdampfprozesse mit elektrischem Antrieb eingesetzt. Dies hat besonders in Ländern mit hohen Kühllasten zu Netzspitzen und damit zu einer geringen Kraftwerksauslastung und erhöhten Strompreisen geführt. Als Alternativen kommen zunehmend thermisch angetriebene Sorptionssysteme zum Einsatz, wobei direkt gasgefeuerte Absorptions- Kaltwassersätze den Markt dominieren. Energetisch bzw. exergetisch interessanter sind allerdings Systeme, bei denen Fernwärme, Abwärme aus Blockheizkraftwerken oder Wärme von thermischen Solaranlagen als Antriebsenergie zur Anwendung kommt. Einen Sonderfall stellen DEC-Anlagen dar, die hocheffiziente Lösungen ermöglichen. 1 EINLEITUNG Die zunehmende Bedeutung von Klimaanlagen hängt in unseren Breiten nicht so sehr von den klimatischen Gegebenheiten ab, sie ist das Ergebnis von Gebäuden mit einem großen Volumen zu Oberflächenverhältnis, hohen internen Lasten und der heute stark verbreiteten offenen Glasfrontenarchitektur, also übergroßen Fensterflächen mit den daraus resultierenden großen solaren Lasten. Geringe Speichermassen können ebenfalls zu Überwärmung während des Sommers führen. Eine Klimaanlage muß für den erforderlichen Luftwechsel sorgen, die Luft filtern, und sie muß die vier "thermodynamischen Funktionen" wie Befeuchten und Entfeuchten, Heizen und Kühlen, abdecken können. Heizen wird bei uns kaum diskutiert, außer vielleicht über hohe Energiepreise, denn Heizen ist unter unseren klimatischen Gegebenheiten erforderlich und in unseren Breiten eine der ältesten eingesetzten Techniken. Lüften wird damit abgetan, daß die Gebäude ohnedies undicht sind und man ja schließlich noch immer die Fenster öffnen kann. Klimatisieren wird als gesundheitsschädlich und energieverschwendend eingestuft, und nach Ansicht einiger Umweltminister sollte man Klimaanlagen verbieten, was in anderen Ländern auch schon geschehen ist. Es gibt bei uns kaum Probleme mit Spitzenbelastungen des Netzes durch die üblicherweise elektrisch angetriebenen Klimageräte und Kaltwassersätze, wie zum Beispiel in den Ländern

2 Südostasiens. Trotzdem sind die - elektrisch angetriebenen - Anlagen in Diskussion, und es gibt Bestrebungen, sich von der Abhängigkeit vom Strom zu lösen und auf Wärme als Antriebsenergie überzugehen, primär auf Gas (neuerdings Naturgas), aber auf Fern- bzw. Nahwärme, oder gleich auf Sonnenenergie. Die Möglichkeit, den Einsatz der FCKW, HFCKW und HFKW zu vermeiden, ist in diesem Zusammenhang ein weiteres starkes Argument. Man will schließlich nur das Beste für die Umwelt. 2 KLIMAANLAGEN Die klassische Klimaanlage für ein Verwaltungs- bzw. ein Bürogebäude, üblicherweise ein Luft/Wasser-System, besteht prinzipiell aus einem oder mehreren elektrisch angetriebenen Kaltdampf-Kaltwassersätzen mit Speichern für Kaltwasser und Heizwasser, einem Kühlturm, einem Wärmeerzeuger, einer oder mehrerer Luftaufbereitungseinheiten (air handling unit), einem komplexen Luftverteilnetz einem 4-Leiter Wärmeverteilnetz, Gebläsekonvektoren (fan-coils) oder Induktionsgeräten zur Abfuhr der Kühllast und Zufuhr der Heizlast, und der Regelung. Die Kaltwassertemperaturen liegen im Bereich 6/10 C oder 8/12 C, also Temperaturen, die für die Entfeuchtung erforderlich sind; die Abfuhr der Kühllast könnte bzw. kann auch mit höheren Temperaturen erfolgen. 2.1 Kaltwassersätze Elektrisch angetriebene Kaltwassersätze sind im Lauf der Zeit zu sehr effizienten Aggregaten weiterentwickelt worden. Bis Montreal 1987, also das Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer, dominierten im großen Leistungsbereich Turboverdichter mit R-11 als Kältemittel, im mittleren Leistungsbereich wurden primär Kolbenverdichter, und zwar ein bis 4 Verdichter je Kaltwassersatz, mit R-500 oder R-22 als Kältemittel eingesetzt; den kleinen Leistungsbereich hat R-22 dominiert. Nach Montreal mussten R-11 und R-500 ersetzt werden, es kamen R-123, R-134a und im kleinen Leistungsbereich R-407C zum Einsatz, wobei der Zeitraum für den HFCKW R-123 allerdings limitiert ist und R-407C durch das effizientere Kältemittel R-410A ersetzt wird. Seit Kyoto wird allerdings auch der Einsatz der HFKW diskutiert, und die möglichen Alternativen sind R-718 Wasser in Verbindung mit Turboverdichtern, R-717 Ammoniak - in Verbindung mit Schraubenverdichtern, und R-290 Propan für den mittleren und kleineren Leistungsbereich. Man sieht also, es ginge auch ohne synthetische Kältemittel. Diese Anlagen sind besonders im mittleren und großen Leistungsbereich sehr effizient, und die Kälteleistungszahlen liegen im Bereich von 4 bis 6 und darüber.

3 2.2 Sonstige Komponenten Wie am Beginn des Kapitel ausgeführt, besteht eine Klimaanlage aber nicht nur aus einem Kaltwassersatz, der Strom benötigt, es gibt noch weitere bedeutende Komponenten wie Zu- und Abluftventilatoren für das Luftverteilungssystem, Umwälzpumpen für das Heiz- und Kaltwasser, Umwälzpumpen für das Kühlwasser, und Ventilatoren für die Kühlluft. Während die ersteren vom Gebäude und vom Anlagenkonzept abhängig sind, werden letztere von der abzuführenden Abwärmemenge sehr stark beeinflusst, und die setzt sich aus der Kälteleistung und der Antriebsleistung eines Kaltwassersatzes zusammen. 3 SORPTIONSPROZESSE Bei den Sorptionsprozessen, die für die Klimatisierung eingesetzt werden können, unterscheidet man zwischen Absorptionsanlagen, Adsorptionsanlagen, und DEC (Desiccant and Evaporative Cooling) Anlagen. Absorptions- und Adsorptionsaggregate werden üblicherweise als Kaltwassersätze konzipiert, sie substituieren demnach einen elektrisch angetriebenen Kaltwassersatz. In den offenen DEC-Anlagen wird ein vollkommen anderes Konzept verfolgt: Die Entfeuchtung erfolgt nicht durch Kondensation der in der Luft enthaltenen Feuchte, sondern durch Adsorption der Feuchte an einem geeigneten Stoff 3.1 Absorptionsanlagen Die Absorptionskältemaschine ist eine mit Wärmeenergie angetriebene Kältemaschine. Im Kreislauf zirkuliert neben dem Kältemittel noch ein Absorptions- oder Lösungsmittel. Beide zusammen werden als Arbeitsstoffpaar bezeichnet. Man unterscheidet Arbeitsstoffpaare, bei denen das Lösungsmittel nur als Flüssigkeit auftritt, und solche, bei denen das Lösungsmittel auch in der Dampfphase vorkommen kann. Zur ersten Art gehört Wasser/Lithiumbromid (H 2 O/LiBr) mit Wasser als Kältemittel und einer wässrigen Lösung von LiBr als Lösungsmittel, zur zweiten Art gehört Ammoniak/Wasser (NH 3 /H 2 O) mit NH 3 als Kältemittel und H 2 O als Lösungsmittel. Das Schema einer einstufigen Absorptions-Kältemaschine ist in der Abb. 1 dargestellt. Daraus geht hervor, daß sich die Anlage in 2 Abschnitte unterteilen läßt. Der 1. Abschnitt besteht aus Absorber, Austreiber, Pumpe, Drossel und Gegenstromwärmetauscher und wird oft als thermischer Verdichter bezeichnet. Hier findet der Lösungsmittelumlauf statt. Das Kältemittel wird absorbiert, verdichtet und ausgetrieben.

4 Der 2. Abschnitt ist mit einem Verflüssiger, Verdampfer und einer Drossel ausgestattet, wo das Kältemittel verflüssigt und unter Aufnahme von Wärme aus dem zu kühlenden System (Kälteleistung) verdampft. Abb. 1: : Schema einer einstufigen Absorptionskältemaschine (Cube 1981) Verflüssiger und Austreiber arbeiten bei hohem Druck, Verdampfer und Absorber bei niedrigem Druck. Der wesentliche Unterschied zwischen Ammoniak/Wasser- und Wasser/Lithiumbromid-Anlagen liegt in den Betriebsdrücken. Während bei Ammoniak/Wasser-Absorptionsanlagen Betriebsdrücke zwischen etwa 1 bar und 16 bar vorliegen, findet man bei Lithiumbromid/Wasser-Absorptionsanlagen Betriebsdrücke zwischen etwa 8 mbar und 95 mbar. Deshalb sind letztere Anlagen vakuumdicht auszuführen. Im Austreiber wird bei hoher Temperatur die zur Austreibung des Kältemittels aus der reichen Lösung (Lösungsmittel und Kältemittel), erforderliche Heizwärme zugeführt. Der Verflüssiger und der Absorber geben bei Umgebungstemperatur Wärme an das Kühlwasser oder an die Luft ab. Bei tiefer Temperatur wird im Verdampfer die Nutzenergie aufgenommen. Durch das Dampfdruckverhalten einer Ammoniak/Wasser-Anlage gehen beide Komponenten im Austreiber in die Dampfphase über, Ammoniak wird auf Grund des höheren Dampfdruckes stärker ausdampfen. Deshalb führt man bei einer Ammoniak/Wasser-Absorptionsanlage nach dem Absorber eine Rektifikation durch, womit Dampfreinheiten von fast 100 % zu erreichen sind. Diese Rektifikation ist bei einer Wasser/Lithiumbromid-Absorptionsanlage auf Grund des Lösungsverhaltens nicht erforderlich. Der Partialdruck des Lithiumbromids geht im Vergleich zum Wasserdampfpartialdruck gegen Null, sodaß im Generator praktisch nur Wasser ausgedampft wird und damit reines Kältemittel vorliegt. Die bisher behandelte Schaltungsvariante ist eine einstufige Absorptionsmaschine, welche üblicherweise auch unter der Bezeichnung Single Effect/Single Lift-Schaltung (SE/SL) geführt wird. Bei diesem Prozeß wird nur an einer Stelle, im Generator, Wärme und an einer anderen

5 Stelle des Prozesses, dem Verdampfer, Kälteenergie zugeführt. Die schematische Darstellung dieses Kreislaufes im Lösungsfeld ist in Abb. 2 dargestellt. Abb. 2: : Kreisprozeß einer einstufigen Wasser/ Lithiumbromid-Absorptionskältemaschine im log p-1/t-diagramm (Cube 1981) Die Effizienz einer einstufigen Absorptions-Kältemaschine kann man dadurch steigern, indem man versucht, die Temperaturbereiche von Austreiber und Absorber so weit zu verbreitern, daß es zu einer Überlappung kommt und damit ein interner Wärmetauscher zwischen Austreiber und Absorber möglich wird. Die Folge davon ist die Verringerung der Irreversibilitäten und die Erhöhung des Wärmeverhältnisses. Diese Idee wurde bereits vor 80 Jahren von E. Altenkirch unter dem Titel Lösungsrückführung mit Übergreifen der Temperaturen formuliert und ist neuerdings wieder unter dem Namen GAX-cycle (generator absorber heat exchange) aktualisiert worden (Abb. 3). Zur Verwirklichung müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein: Abb. 2: : Schema des einfachen GAX-Kreislaufs

6 Große Temperaturgleitung bei Absorption/Desorption, Die Temperatur des heißen Endes des Absorbers muß höher liegen als die des kalten Endes des Austreibers, Direkter oder Indirekter Wärmeaustausch zwischen Austreiber und Absorber. Der GAX-Kreislauf ist hier in einer einstufigen Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschine verwirklicht. Die Temperaturüberlappung kommt dann zustande, wenn die Differenz T Gen - T Cond ungefähr 2,6 mal so groß ist wie die Differenz T Cond - T Evap. Daher ist zur Verwirklichung dieses Kreislaufes eine treibende Wärme mit hohem Temperaturniveau, gegenüber konventionellen einstufigen Absorptionskältemaschinen, erforderlich. Der Temperaturhub bei dieser einfachen GAX-Anlage beträgt 30 K bei einer Verdampfungstemperatur von 3 C und einer Kondensationstemperatur von 33 C. Mit diesem Temperaturhub wird ein Wärmemengenverhältnis von ζ=1,34 erreicht. Wird die Kondensationstemperatur auf 48 C erhöht, wirkt sich das in einer Senkung des Wärmemengenverhältnisses auf ζ=0,95 aus. Je kleiner der Temperaturhub und je größer die Überlappung der Temperaturbereiche ist, um so höher ist das erreichbare Wärmemengenverhältnis der GAX-Anlage. Mit dem verzweigten GAX-Kreislauf, der eine zweite Lösungsmittelpumpe hat, kann dieser Effekt noch verbessert werden. Das Wärmeverhältnis kann bei einem Temperaturhub von 30 K von 1,34 auf 1,76 gesteigert werden. Wenn eine tiefe Verdampfungstemperatur bei einer Wärmequelle niedriger Temperatur und warmes Kühlwasser erforderlich ist, reicht die Differenz zwischen Austreiber- und Absorbertemperatur nicht aus, den Prozeß einstufig zu betreiben. Der Lösungskreislauf wird daher zweistufig ausgeführt. Der im Verdampfer entstandene Kältemitteldampf wird in zwei Stufen auf Verflüssigungstemperatur gebracht, wobei er zweimal absorbiert und in den jeweiligen Austreibern wieder ausgedampft wird. Altenkirch hat außer dieser Lösung unter anderem auch die Unterteilung des sogenannten Kälteteiles - Ausführung mit zweistufiger Verdampfung - vorgeschlagen. (Cube 1981). Die auf dem Markt angebotenen 2-stufigen Wasser/Lithimbromid-Anlagen sind zum größten Teil in Double-Effect-Schaltung (DE-Schaltung) ausgeführt. In diesem Fall treibt die Kondensationswärme des Hochdruckkondensators K 2 den Niederdruckgenerator G 1 an, wodurch sich das Wärmeverhältnis ξ gegenüber der einstufigen Anlage verbessert. Die Zweistufigkeit der Absorptionskälteanlage erfordert ein höheres Temperaturniveau als die einstufige Anlage und kann - im Gegensatz zu 85 C bis 130 C bei einstufigen Anlagen - mit ca. 150 C bis 170 C angegeben werden. Die Koppelung eines einstufigen Prozesses (SE/SL) mit einem zweistufigen Prozeß Double Lift (DL) zur Single Effect/Sinlge Lift Double Lift-Schaltung (SE/SL-DL-Schaltung) ist in Wasser/Lithiumbromid-Anlagen realisiert, die Fernwärme bzw. Abwärme niedriger Temperatur weiter auskühlen kann. Dies wird mit einem größeren apparativen Aufwand und mit einer Einbuße an Wärmeverhältnis bezahlt. Dafür kann die Kapazität des Fernwärmenetzes auch im Sommer voll genutzt werden. Diese Kälteanlage wurde unter der Leitung von G. Alefeld und vom Bayrischen Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) entwickelt.

7 3.2 Adsorptionsanlagen Beim Adsorptionsprozeß, der im Gegensatz zum Absorptionsprozeß mit einem festen Sorptionsmittel (Adsorbens) arbeitet, unterscheidet man zwischen einem geschlossenen und einem offenen Prozeß. Der geschlossene Adsorptionsprozeß arbeitet mit den Stoffpaaren Wasser/Zeolith und Wasser/Silicagel und findet seine Anwendung hauptsächlich in der Klimakälte. Das Stoffpaar Wasser/Zeolith wird für Raumheizung, Warmwasserbereitung, Lebensmittel- und Getränkekühlung sowie für Raum- und Frahrzeugklimatisierung im kleinen Leistungsbereich eingesetzt. Für die Bereitstellung von Kaltwasser ist das zweitgenannte Stoffpaar von größerer Bedeutung. Die Adsorptionskältemaschine gehört zur Gruppe der periodisch arbeitenden Sorptions- Kältemaschinen. Im Vergleich zur Absorption, welche flüssige Absorptionsmittel verwendet, erfolgt die Adsorption des verdampfenden Kältemittels (Adsorbat) durch ein festes Sorptionsmittel (Adsorbens). In Abb. 4 ist das Schema einer Adsorptionskältemaschine dargestellt. Abb. 4: Schema einer Adsorptions-Kältemaschine (Gasser 1998) Das Aggregat besteht im wesentlichen aus 4 Kammern, welche unter Vakuum stehen, die durch Ventile miteinander verbunden sind. Die beiden mittleren Kammern sind mit einem festen Sorptionsmittel gefüllt. In der oberen bzw. unteren Kammer befinden sich der Kondensator und Verdampfer. Auf Grund des herrschenden Unterdruckes kommt es schon bei sehr niedrigen Temperaturen zur Verdampfung des Kältemittels. Der Kältemitteldampf gelangt durch das Ventil in die linke Kammer (Adsorber) wo er vom festen Sorptionsmittel (Adsorbens) adsorbiert wird. Die dabei frei werdende Adsorptionsenthalpie wird durch ein Kühlwassersystem abgeführt. Adsorptionsaggregate haben gegenüber Absorptionsanlagen den Vorteil, dass sie einstufig mit niedrigeren Austreibertemperaturen betrieben werden können; nachteilig sind die Zweikammerbauweise und die höheren internen Druckabfälle.

8 3.3 DEC-Anlagen Der DEC-Prozeß ist ein offener Adsorptionsprozeß und wird zur sorptiven Entfeuchtung und adiabaten Befeuchtung (Kühlung) von Luft eingesetzt. Die Trennung der beiden Verfahrensschritte Entfeuchtung und Kühlung der sorptionsgestützten Klimatisierung macht die Notwendigkeit eines Kaltwassersatzes mit Rückkühlwerk, wie es bei einer konventionellen Klimaanlage der Fall ist, überflüssig. Das Funktionsprinzip ist aus der Abb. 5 zu entnehmen. Abb. 4: Schema einer DEC-Anlage Der offene Adsorptionsprozeß, wozu der DEC-Prozeß zählt, arbeitet mit den Sorptionsmitteln Silicagel (Kieselgel), Lithiumchlorid (LiCl) oder Alumosilikat (SiO 2 - gehört zur Gruppe des Kieselgels). Da es sich um einen Klimatisierungsprozeß handelt (Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten), läßt sich der Prozeß sehr gut in einem h-x-diagramm (Abb. 6) darstellen. Abb. 6: DEC-Analge im h-x-diagramm

9 Der Vorteil des DEC-Prozesses liegt im Wegfall des Kühlturms; Nachteile sind die begrenzte Kälteleistung und die durch das Entfeuchtungsrad hohe erforderliche Ventilatorleistung. Der erste Nachteil kann durch sogenannte Hybridanlagen behoben werden. Die Luftaufbereitung erfolgt durch das DEC-System, die Abfuhr der Kühllast durch einen konventionellen Kaltwassersatz, dessen Abwärme für die Austreibung im DEC-Prozess verwendet wird. Zur Behebung des zweiten Nachteiles wird an flüssigen Dessicants gearbeitet, die einen wesentlich geringeren Druckabfall bewirken und die sogar zwischengespeichert werden können. Damit hat die DEC-Anlage die Chance, in Zukunft eine wesentlich größere Verbreitung zu erlangen. 4 ANLAGENKONZEPTE Ein wichtiger Punkt beim Einsatz von Sorptionssystemen ist die Wärmebereitstellung für den Betrieb des Austreibers. Für einen eventuellen technisch und wirtschaftlich sinnvollen Antrieb von Sorptionsprozessen kommen daher folgende Wärmequellen in Frage: Die hauptsächlich im Einsatz stehenden Anlagen sind direkt befeuerte Systeme, wobei Gas als Brennstoff dominiert. Das ist zwar nicht die effizienteste Lösung, aber sie ist relativ einfach zu realisieren. Eine weitere Möglichkeit sind dampf- bzw. heißwasser-betriebene Systeme, wobei diese Anwendungen meist an die einschlägige Industrie mit Dampf- bzw. Heißwasser- Aufkommen aus technologischen Prozessen gebunden sind. Heißwasserbetriebene Systeme werden auch in Verbindung mit Fern- bzw. Nahwärmesystemen oder Bockheizkraftwerken eingesetzt. Bei Blockheizkraftwerken sind besonders Gasturbinen auf Grund ihres höheren Abwärmetemperaturniveaus interessant. Die neuesten Entwicklungen sind darauf ausgerichtet, thermische Solaranlagen zum Betrieb von Sorptionssystemen heranzuziehen. Das Problem bei diesen Anlagen sind die Investitionskosten für die Solaranlage. 5 ZUSAMMENFASSUNG Der Einsatz von Sorptionsprozessen zur Klimatisierung bietet sich vor allem dort an, wo billige Wärme zur Verfügung steht. Diese Wärme kann entweder direkt über eine gas- oder ölbefeuerte Sorptionsanlage, oder indirekt, über einen Dampf- oder über einen Heißwasserkreislauf aus einer KWK, einem Fern- oder Nahwärmenetz oder sogar von einer thermischen Solaranlage, dem Sorptionsprozeß zugeführt werden.

10 Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten von Sorptionsprozessen für die Klimatisierung. Welcher Sorptionsprozeß oder ob der dazu in Konkurrenz stehende Kompressionsprozeß schlußendlich der bessere Prozeß für den jeweiligen Anwendungsfall ist, entscheidet eine energetische bzw. exergetische Analyse, in die man allerdings auch den Kraftwerksprozess mit einbeziehen sollte, sowie insbesondere eine wirtschaftliche Untersuchung des speziellen Anwendungsfalls mit den dort vorherrschenden Rahmenbedingungen. REFERENCES Alefeld G., Feuerecker G., Greiter I., Kern W., Riesch P., Scharfe J., Ziegler F. (1992), Untersuchung fortgeschrittener Absorptionswärmepumpen, IZW-Berichte 3/92, ISSN , Karlsruhe Verlag. Alefeld G., Radermacher R. (1993) Heat conversion systems, Boca Raton, FL., CRC Press. Cube H.L., Steimle F., Lotz H., Kunis J. (1997) Lehrbuch der Kältetechnik; Band 1,2, C.F. Müller Verlag Heidelberg Heinrich, G., Steimle, F., 1996: Grundlagen und Entwicklungstendenzen der Absorptionskälteerzeugung, Tagungsband Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, Kolloquium am 25. Oktober 1996, Institut für Luft-und Kältetechnik, Dresden Heinrich, J., (1998) Beitrag zu mit Sorptionsregeneratoren gestützten lufttechnischen Anlagen- Schaltungen und Bewertung, Informationsmaterial aus einer Dissertation an der Universität GHS Essen Ibrahim T.A., (2002) Thermally Activated Air Conditioning Systems, Thesis at the Institute of Thermal Engineering, Graz University of Technology, Austria Krotil, R. (2001) Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung im Fernwärmesystem Graz, Thesis at the Institute of Thermal Engineering, Graz University of Technology, Austria Niebergall, W., (1959) Sorptionskältemaschinen, Handbuch der Kältetechnik Band 7, Reprint 1981, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York Plank R. (1988) Handbuch der Kältetechnik, ISBN Springer Verlag Berlin. Steimle F., Biel S., Röben J. (1997) Sorptive Entfeuchtung und Temperaturabsenkung bei der Klimatisierung: Anforderung an die Sorptionsgestützte Klimatisierung BMBF-Abschlußbericht, Request number: J, UGH Essen, Germany (in German). Ziegler F., Kahn R., Summerer F., Alefeld G. (1993) Multi-effect absorption chillers, International Journal of Refrigeration, Vol. 16/5, pp