Sorptionsverhalten von thermisch betriebenen Sorptionsrotoren zur Gebäudeklimatisierung.

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1 Published in the Proceedings of the 11 th Symposium Thermische Solarenergie, OTTI Staffelstein, May 2001 Sorptionsverhalten von thermisch betriebenen Sorptionsrotoren zur Gebäudeklimatisierung. 1) 2) Dr. U. Eicker 1), Dipl.-Ing. (FH) U. Schürger 1), Dr. J. Schumacher 2) Fachhochschule Stuttgart, Hochschule für Technik, Schellingstrasse. 24, Stuttgart, Tel , Fax: , Universität Oldenburg, Fachbereich Physik, Carl-von-Ossietzky Strasse 9-11, Oldenburg, Tel , Fax: , Einleitung In luftgeführten offenen Sorptionsanlagen werden überwiegend mit Silikagel beschichtete oder mit LiCl getränkte Rotoren zur Luftentfeuchtung eingesetzt, um das Kühlpotential einer reinen erdunstungskühlung zu erhöhen. Auf dem Markt sind derzeit mehrere Rotortechnologien verfügbar, die sich sowohl in der Materialkombination als auch in den Betriebsparametern, z.b. der Nenndrehzahl, unterscheiden. Im Rahmen eines europäischen Forschungsprojektes werden die wichtigsten kommerziellen Sorptionsrotoren an der Fachhochschule Stuttgart untersucht, um Entfeuchtungsleistungen in Abhängigkeit von Betriebsparametern zu ermitteln. Die Meßergebnisse werden dann zur alidierung eines Simulationsmodells verwendet, mit welchem komplette solarthermisch betriebene Sorptionsanlagen simuliert werden können. Prüfstand In dem Prüfstand für Sorptionsrotoren an der Fachhochschule Stuttgart (Abb. 1) wurden raumlufttechnische Komponenten installiert, mit denen sowohl die Prozessluft als auch die Regenerationsluft in Bezug auf Temperatur und Feuchte konditioniert werden kann, so daß weitgehend unabhängig vom Umgebungsklima beliebige stationäre Zustände eingestellt werden können. Die entscheidenden Betriebsparameter wie olumenströme, Temperaturen, Feuchtegehalte, Drehzahl des Rotors etc. werden meßtechnisch erfaßt und computerunterstützt aufgezeichnet.

2 In dem Prüfstand wird zusätzlich zu elektrisch betriebenen Heizregistern eine thermische Solaranlage mit CPC-Röhrenkollektoren verwendet um die erforderlichen Regenerationslufttemperaturen zu erzeugen. Storage tank accum tube collectors Heat Exchanger Solar air collectors Waste air Steam humidifier Sound absorber Fan Steam humidifier Electrical heater Filter Exhaust air Ambient air Filter Sorption wheel Electrical heater Fan Sound absorber Supply air Abb. 1: Prüfstand für Sorptionsrotoren an der Fachhochschule Stuttgart In der Anlage können maximale olumenströme von ca m³/h für die Regenerationsluft als auch für die Prozessluft gefahren werden. Die Werte für Temperatur und Feuchtegehalt der Luftströme liegen zwischen 10 C/50% - 45 C/70% bei der Prozessluft und zwischen 20 C/50% - 95 C/5% bei der Regenerationsluft. Die Leistungsfähigkeit von Sorptionsrotoren kann hauptsächlich durch die zwei folgenden Kennwerte beschrieben werden. Erstens die Entfeuchtungsleistung MRC (Moisture Removal Capacity) und zweitens den energetischen Wirkungsgrad bezogen auf die Entfeuchtungsleistung RSHI (Regeneration Specific Heat Input). Der MRC beschreibt die der Luft entzogene Feuchtigkeit pro Stunde und der RSHI die pro Stunde erforderliche Regenerationsenergie normiert auf den MRC. Bei den ersuchen werden verschiedene Sorptionsrotoren (LiCl, Silikagel, Titanium- Silikagel) getestet und anhand der oben beschriebenen Kennwerte verglichen. Bei diesen ersuchen werden die Nenndrehzahl der Sorptionsregeneratoren, die

3 olumenströme und olumenstromverhältnisse sowie die Temperaturen und Temperaturverhältnisse zwischen Prozessluft und Regenerationsluft variiert. Meßergebnisse Entfeuchtungsleistung [g/kg] Regenerationstemperatur [ C] Abb. 2: Entfeuchtungsleistung Entfeuchtungswirkungsgrad [-] Regenerationstemperatur [ C] Abb. 3: Entfeuchtungswirkungsgrad Entfeuchtungswirkungsgrad [-] olumenstromverhältnis (Regenerationsluft/Prozessluft) Abb. 4: Entfeuchtungswirkungsgrad Simulationsprogramm Beispielhaft werden in den folgenden Diagrammen erste Messwerte 1 eines Silikagel Sorptionsrotors dargestellt. Im ersten Diagramm (Abb. 2) ist die Entfeuchtungsleistung in Abhängigkeit von der Regenerationslufttemperatur aufgetragen. Hier ist deutlich zu erkennen, daß die Entfeuchtungsleistung mit steigender Regenerationstemperatur ansteigt. Im zweiten Diagramm (Abb. 3) ist der Entfeuchtungswirkungsgrad η in Abhängigkeit der Regenerationstemperatur aufgetragen. Der Entfeuchtungswirkungsgrad ist definiert als das erhältnis zwischen der tatsächlichen Entfeuchtungsleistung und der maximal möglichen Entfeuchtungsleistung. Er ist hier unabhängig von der Regenerationstemperatur. In Abb. 4 ist der Entfeuchtungswirkungsgrad über dem olumenstromverhältnis zwischen Regenerationsluft und Prozessluft aufgetragen. Hier ist ein Anstieg der Entfeuchtungsleistung mit steigendem Regenerationsvolumenstrom zu erkennen. Um die Energieerträge einer geplanten solar unterstützten offenen Sorptionsanlage für ein Bibliotheksgebäude in Mataró zu ermitteln, wurde ein Anlagenmodell in der

4 Simulationsumgebung INSEL 2 erstellt. Für die Erwärmung der Regenerationsluft sollen vorhandene hinterlüftete Photovoltaikelemente sowie ein neu zu errichtendes Luftkollektorfeld mit einer Gesamtfläche von 105 m² verwendet werden. Für die unterströmten Luftkollektoren wird die Lösung der Energiebilanzgleichungen nach Duffie/Beckmann 3 für den Kollektorwirkungsgradfaktor verwendet und die erhöhten Wärmeübergänge im Luftspalt durch die Rippenwirkungsgrade nach Altfeld 4 berücksichtigt. Die 105 m² Anlage wird in 3 parallelen Strängen mit je 35 m Länge in Strömungskanälen von 95 mm Kanalhöhe durchströmt. Bei den maximal notwendigen olumenströmen für die Regenerationsluft von insgesamt 9000 m³/h ergeben sich somit Strömungsgeschwindigkeiten von maximal 8.8 m/s. Um möglichst hohe Austrittstemperaturen aus der Solaranlage im Sommer zu erzielen, kann der olumenstrom bis auf 3000 m³/h heruntergeregelt werden. Für die hinterlüfteten Photovoltaikmodule mit den P-Zellen als Absorber, einem 14 cm Luftspalt als Strömungskanal und einer rückseitigen Wärmedämmung wurden die stationären Energiebilanzgleichungen gelöst und die Wärmeübergangskoeffizienten in dem Luftspalt wie für einzeln angeströmte Wände berechnet. Bei den 2.25 m hohen P-Sheds ergeben sich für insgesamt 150 Strömungskanäle von je 1 m Breite selbst bei 9000 m³/h Gesamtvolumenstrom extrem geringe Strömungsgeschwindigkeiten von 0.1 m/s. Zunächst wurden die solaren Erträge und Raumzulufttemperaturen T zu für den maximalen Regenerationsluftvolumenstrom von 9000 m³/h sowie einen Zuluftvolumenstrom von m³/h berechnet. In einem zweiten Schritt wurde dann der Regenerationsluftvolumenstrom auf 3000 m³/h herab gesetzt. In Abb. 5 sind die mittlere Umgebungstemperatur T A, Regenerationslufttemperaturen T reg,3000 und T reg,9000, die Zulufttemperaturen Mai Juni Juli August September Oktober I TA Treg, 3000 Tzu, 3000 Treg, 9000 Tzu, 9000 Abb. 5: Temp./Einstrahlungs-Mittelwerte. Alle Mittelwerte T zu und die solare Einstrahlung I auf die um 34 geneigte, südorientierte Kollektorsind für Einstrahlungswerte >0, d.h. Anlagenbetrieb, berechnet. Temp. [ C] Einstrahlung I [W/m²]

5 fläche für die Monate Mai bis Oktober aufgetragen. Gut zu erkennen ist, dass die olumenstromreduzierung von 9000 m³/h auf 3000 m³/h einen Anstieg der Regenerationslufttemperatur um ca. 20 K im Mittel bringt. Bei beiden olumenströmen funktioniert die Sorptionsanlage erwartungsgemäß gut, d.h. sie produziert Zulufttemperaturen zwischen 15 und 20 C. Temperatur [ C] Jul. 11. Jul. 12. Jul. 13. Jul. 14. Jul. 15. Jul. 16. Jul. Abb. 6: Temperaturverlauf (9000 m³/h) In Abb. 6 ist der erlauf der berechneten Temperaturen in einer Juli-Woche bei einen Regenerationsluftvolumenstrom von 9000 m³/h dargestellt, in Abb. 7 ist der berechnete Feuchtegehalt der Außenluft X A und der Feuchtegehalt der Zuluft X zu dargestellt. Gut zu erkennen ist, 18 dass bei steigender Regenerationslufttemperatur 17 XA Xzu T reg, also bei steigender Einstrahlung und damit verbundenem Anstieg der Außenlufttemperatur T A, die 12 Zulufttemperatur T zu in dem 11 Abb. 7: Feuchteverlauf (9000 m³/h) Jul 11. Jul 12. Jul 13. Jul 14. Jul 15. Jul 16. Jul gewünschten Bereich von C liegt. An Tagen mit geringer solarer Einstrahlung wie z. Bsp. am 15. Juli reicht die Regenerationstemperatur nicht aus und der für die Kühlung notwendige Zuluftzustand kann nicht erreicht werden. Feuchtegehalt [g/kg] Treg TA Tzu 1 Höfker, G.: Desiccant Cooling with Solar Energy. De Montfort University Leicester, Dissertation in orbereitung, INSEL 6.0 Reference Manual, J. Schumacher, Universität Oldenburg Duffie, J./Beckmann; W. "Solar Engineering of Thermal Processes", John Wiley & Sons, Inc. New York 1991, 2nd ed. 4 Altfeld, K. Exergetische Optimierung flacher solarer Lufterhitzer, DI Fortschrittsberichte Reihe 6, Nr.175, DI erlag 1985

6 Sorption Characteristics of thermally driven Sorption Wheels for Air-Conditioning. 1) 2) Dr. U. Eicker 1), Dipl.-Ing. (FH) U. Schürger 1), Dr. J. Schumacher 2) University of Applied Sciences Stuttgart, Schellingstrasse. 24, Stuttgart, Tel , Fax: , University of Oldenburg, Faculty of Physics, Carl-von-Ossietzky Strasse 9-11, Oldenburg, Tel , Fax: , Summary In open adsorption cooling systems different kinds of sorption wheels are used. The most common sorption wheels use Lithium-Chloride or Silicagel as an adsorbent. For optimal performance it is necessary to know the influence of the different working parameters of the wheels such as temperatures, volume flows, rotational velocity, etc. Most of these data are not given by the manufacturer and so far there is no reported comprehensive comparative study of different wheel technologies. Therefore a test facility at the university of applied sciences was designed to measure performance parameters of desiccant wheels under different operating conditions. The first measurements 1 show the dependendy of the MRC (Moisture Removal Capacity) on the regeneration temperature and the air volume flow ratios. The measured data will be used to validate a simulation model for open adsorption cooling systems based on the simulation platform INSEL 2. With this simulation model a solar powered adsorption cooling system in a public libraray in Mataró, Spain was calculated. The simulation results show that the system works well when the solar radiation is high enough to provide the necessary regeneration temperature and the humidity of the air is not too high. 1 Höfker, G.: Desiccant Cooling with Solar Energy. De Montfort University Leicester, Dissertation in preparation, INSEL 6.0 Reference Manual, J. Schumacher, University of Oldenburg 1997