Stand der solaren Kühlung und Klimatisierung
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- Hajo Dresdner
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1 Solare Kühlung und Klimatisierung Anlagenbeispiele Seite 1 Edo Wiemken Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg Thermisch aktive Materialien und solare Kühlung Stand der solaren Kühlung und Klimatisierung Seite 2 Hohe Aufmerksamkeit gegenüber solarer Kühlung, aber noch keine Marktdurchdringung Weltweit vermutlich inzwischen Installationen; Zuwachs insbesondere im Nennkälte-Leistungsbereich < 15 kw EURAC- Statistik weist ca Anlagen aus; Kälteleistungen > 20 kw (Datenbasis bis 2005?) Installierte Kälteleistung: 10 MW; m² Kollektorfläche Hohe Zuwachsraten in Spanien 1
2 Stand der solaren Kühlung und Klimatisierung EURAC-Statistik: Technologie Seite 3 Quelle: EURAC Stand der solaren Kühlung und Klimatisierung EURAC-Statistik: Kollektoren Seite 4 Quelle: EURAC 2
3 Systemauswahl - Gesamtübersicht Seite 5 Wärme Wärmesp. Wärmevert. Kälteerzeugung Kältespeicher Kältevert. Gebäude, Last andere Wärmequellen Solarkollektor-Anlage Kaltwasser Lüftungsanlage Heisswasser kond. Luft Banyuls, Südfrankreich: Kühlung eines Weinlagers Seite 8 Zuluftkühlung eines Weinlagers (15000 m³ Lagervolumen; 3 Millionen Weinflaschen) Absorptionskältemaschine mit 52 kw Kälteleistung (Yazaki) 130 m² Vakuumröhren- Kollektoren Quelle: Tecsol 3
4 Banyuls, Südfrankreich: Kühlung eines Weinlagers Seite 9 Einfaches Systemkonzept, nur 1 m³ Pufferspeicher Solar autonom: kein Zusatzsystem (Speicherung auf Lastseite) Seit 1991 zuverlässiger Betrieb Quelle: Tecsol Inofita Viotas, Griechenland: Klimatisierung einer Kosmetik-Produktionsstätte Seite m 2 Flachkollektoren 2 Adsorptionskältemaschinen (Nishiyodo) mit je 350 kw P Kälte 3 Kompressionskältemaschinen mit je 350 kw Zuluftkühlung, Fan-coils Konzept: fuel-saver; Einsparung von elektrischem Strom (Leistung und Arbeit) In Betrieb seit
5 Lissabon, Portugal: Solar unterstützte Klimatisierung eines Bürogebäudes Seite 11 Bankgebäude der CGD, m² Bürofläche Ca m² HT- Flachkollektoren 545 kw Absorptionskältetechnik In Betrieb seit 2008 Berkheim/Esslingen: Solar unterstützte Klimatisierung in der FESTO AG & Co. KG Klimatisierung von m² Büroflächen (Technologiezentrum) Seit 2001: 3 x 350 kw Adsorption-KM (Mycom) Antrieb: Abwärme, Gaskessel, und seit 12/2007: 1218 m² Vakuumröhren- Kollektor (Paradigma, CPC); Aqua-System Zuluftkühlung, Betonkernaktivierung Monitoring: FH Offenburg Quelle: Paradigma Seite 12 Quelle: FESTO 5
6 Berkheim/Esslingen: Solar unterstützte Klimatisierung in der FESTO AG & Co. KG Seite 13 Heizung Bauteilheizung Heizung < 50 C 70 C Adsorptions-KM 3 x 350 kw Erdpfähle (< 150 kw) Vakuumröhren- Kollektor 1218 m² Speicher 17 m³ Kaltwasser- Verteilung (Zuluftkühlung, Bauteilaktivierung) Abwärme 0.6 MW Gaskessel 5.6 MW Rückkühlung (nass, geschlossen), Freie Kühlung Butzbach: Solare Klimatisierung in der Technikerschule Seite 16 Klimatisierung von 335 m² Seminarfläche im Niedrigenergie-Gebäude der Technikerschule 2 Absorptions-KM mit je 10 kw Nennkälteleistung (Sonnenklima, Berlin) 60 m² Vakuumröhren- Kollektoren (Nur-Wasser system, Paradigma) solar autonome Kühlung In Betriebnahme: Ende 2008 Monitoring: ZfS Hilden 6
7 Butzbach: Solare Klimatisierung in der Technikerschule Seite 17 Gasbrennwerttherme Zwei Lüftungsgeräte mit Wärmerückgewinnung (je 1250 m³/h) Moderate Zuluftkühlung bzw. erwärmung durch Erdwärmetauscher hohe Nutzung (Belegung und EDV-Einrichtungen) durchgehend im Sommer: erhöhte Raumtemperaturen und Raumluftfeuchten Butzbach: Solare Klimatisierung in der Technikerschule Seite 18 Brennwertkessel 28 kw Absorptions-KM 2 x 10 kw Speicher < 1 m³ Zuluft (2 x 1250 m³/h) Vakuumröhren- Kollektor 60 m² Speicher 2 m³ Kühldecken (130 m³) Heizung Rückkühlung (nass, offen) Kollektorfluid: Nur Wasser (Paradigma Aqua-System) Antrieb AKM: parallel und seriell möglich (seriell bei unterschiedlichen Kaltwassertemperaturen für Entfeuchtung und Kühldeckenbetrieb) Kaltwassernetze koppelbar für besseren Teillastbetrieb 7
8 Berlin: Solar unterstützte Prozess- und Raumkühlung einer radiologischen Praxis Seite 19 Mehrere Arztpraxen; Lebensmittelmarkt Zentrales Kaltwassernetz im Gebäude (el. Kompressions- KM mit 125 kw P kälte, 8 C Kaltwasser) ca. 180 m² Praxisfläche der radiologischen Praxis Hauptwärmelasten: Kernspin- und Computertomograf Wärmeabfuhr über Gebläsekonvektoren und direkte Gerätekühlung Berlin: Solar unterstützte Prozess- und Raumkühlung einer radiologischen Praxis Seite 20 Separate solar unterstützte Kühlung der Radiologischen Praxis 10 kw Absorptions-KM (Suninverse, Sonnenklima) 40 m² Vakuumröhren-Kollektoren (Phönix-CPC); Nur-Wasser System Überwiegend trockene Rückkühlung (Hybrid-Kühlturm) Freie Kühlung im Winter über Rückkühlwerk Demonstration von Prozesskühlung und trockener Rückkühlung; Entwicklung geeigneter Regelung; hohe solare Deckungen stehen nicht im Vordergrung Inbetriebnahme: Mitte 2008 Monitoring: TU Chemnitz 8
9 Berlin: Solar unterstützte Prozess- und Raumkühlung einer radiologischen Praxis Seite 21 Frostschutz Absorptions-KM 10 kw Kaltwassernetz (Gebäude) Wasser Wasser- Glykol Wasser Vakuumröhren- Kollektor 40 m² Speicher < 1 m³ Rückkühlung (hybrid) Freie Kühlung Radiologische Praxis: Prozesskühlung, Raumkühlung Freiburg: Solare Kühlung im kleinen Leistungsbereich Seite 22 Zuluftkühlung für den Küchenbereich der Kantine am Fraunhofer ISE Adsorptionskältemaschine (5.5 kw Kälteleistung; Sortech) Rückkühlung über Erdsonden (3x80m) Wärmepumpenfunktion Antriebswärme: 22 m² Flachkollektoren Backup: thermisch über das ISE- Heiznetz (KWK) In Betrieb seit
10 Freiburg: Solare Kühlung im kleinen Leistungsbereich Seite 23 SOMMER Kühlen der Zuluft Erwärmesonden als Senke für Abwärme Betriebskonzept: Zulufttemperatur > 20 C (2K Hysterese) Raumtemperatur > 23 C (2K Hysterese) Wochentags: 6.45 bis 16.00h Solarbetrieb bei >73 C im Speicher (5K Hysterese) Freiburg: Solare Kühlung im kleinen Leistungsbereich Seite 24 WINTER Vorwärmen der Zuluft Erwärmesonden als Niedertemperatur Wärmequelle Betriebskonzept: Zulufttemperatur < 13,5 C (3K Hysterese) Zulufttemperatur > 3 C (Frostschutz) Wochentags: 6.45 bis 19.00h Solarbetrieb bei >73 C im Speicher (5K Hysterese) 10
11 Freiburg: Solare Kühlung im kleinen Leistungsbereich Seite 25 Betriebsergebnisse 2007 Betriebszeit Mittlere Leistung* Mittlerer th. COP* Solare Deckung* El. COP* Kühlbetrieb 433h 4,4kW 0,57 0,60 10 Heizbetrieb 617h 9,3kW 1,43 0,05 18 * Bezogen auf volle Betriebsstunden: 282h Kühlbetrieb, 398h Heizbetrieb Systemauswahl - Gesamtübersicht Seite 26 Wärme Wärmesp. Wärmevert. Kälteerzeugung Kältespeicher Kältevert. Gebäude, Last Solarkollektor-Anlage andere Wärmequellen Kaltwasser Lüftungsanlage Heisswasser kond. Luft 11
12 Freiburg: Klimatisierung von Veranstaltungsräumen IHK Südlicher Oberrhein Klimatisierung von zwei Veranstaltungsräumen (ca. 210 m²) Technik: SGK, Rotor mit m³/h Nennvolumen-Luftstrom 100 m 2 Luftkollektoren zum Kühlen und Heizen Kein Speicher Konzept: solar autarke Kühlung In Betrieb seit 2001 Seite 28 Freiburg: Klimatisierung von Veranstaltungsräumen IHK Südlicher Oberrhein Seite 29 Sommer: Kühlen, entfeuchten Solarluftkollektor V2 V1 V3 Aussenluft Fortluft Fortluft Aussenluft V6 V5 V4 Befeuchter Abluft warm, feucht Zuluft kühl, trocken Entfeuchter WRGl 12
13 Freiburg: Klimatisierung von Veranstaltungsräumen IHK Südlicher Oberrhein Seite 30 Winter: Heizen Solarluftkollektor V2 V1 V3 Aussenluft Fortluft Fortluft Aussenluft V6 V5 V4 Befeuchter Abluft Zuluft Entfeuchter WRGl Freiburg: Klimatisierung von Veranstaltungsräumen IHK Südlicher Oberrhein Seite Temperatur, C Einstrahlung, W/m 2 Zuluft Aussenluft Raumluft Regenerationsluft Einstrahlung Uhrzeit Messwerte:
14 Freiburg: Klimatisierung von Veranstaltungsräumen IHK Südlicher Oberrhein Seite , 2003: in ca. 90% der Betriebsstunden innerhalb des Komfortbereichs (20-25 C) weniger als 5% der Betriebsstunden > 27 C Freiburg: Klimatisierung von Veranstaltungsräumen IHK Südlicher Oberrhein Seite 33 SGK-Anlage gesamt: 69% Solarluftkollektoren gesamt: 10 % Luftkanäle + Geräteinstallation 17% RLT-Gerät 46% Hydraulik + Elektrotechnik 6% Kollektorkosten 8% Planung 3% Monitoring 5% Kollektorinstallation 2% Bauseitige Anpassung 13% 14
15 Palermo, Italien: Universität Gebäude: DREAM, Universität Palermo (Dipartimento di ricerche energetiche ed ambientali) System DEC-System (1500 m³/h) 22.5 m² Flachkollektoren Kälte Back-up 24.3 kw Gas Boiler 11 kw (für Winterbetrieb) Betrieb: seit Juli 2008 Seite 34 (Bildquelle: Uni Palermo) Palermo, Italien: Universität Feucht-heißes Klima, spezielle Konfiguration: Kompressions-KM zur Vorentfeuchtung und Nachkühlung; effizienter Betrieb bei hohen Kaltwassertemperaturen Seite 35 (Bildquelle: Uni Palermo) 15
16 Freiburg: Solare Klimatisierung mit Flüssigsorption Seite 36 Pilotanlage im Solar Info-Center, Freiburg Klimagerät: Menerga Entfeuchtung mit wässriger LiCL-Lösung Klimatisierung von 310 m² Büroflächen 1500 m³ Nennluftvolumenstrom 17 m² Flachkollektoren 1.5 m³ Pufferspeicher In Betrieb seit 2004 Solar autonomer Betrieb im Sommer Grombalia, Tunesien: Prozesskühlung im Mediterranen Raum Seite 39 Demonstration Solar unterstützter Prozesskühlung in einer Weinherstellung Jahresproduktion: ca l Weiß- und Rotwein Kaltwasser: - 5 C Trockene Rückkühlung, hoher Temperaturhub Ammoniak-Wasser Absorptionskältemaschine (Robur) mit 12.8 kw Nennkälteleistung Linear konzentrierender Fresnel-Kollektor; 88 m² Aperturfläche; Thermo-Öl; Arbeitsbereich: C Backup: vorhandene Kompressionskältemaschine 16
17 Grombalia, Tunesien: Prozesskühlung im Mediterranen Raum Seite 41 Inbetriebnahme: Mitte 2008 Sevilla, Spanien: Solar unterstützte Kühlung mit 2-stufiger Absorptions-KM Seite 42 Demonstrationssystem an der Universität Sevilla zur Gebäudeklimatisierung 1-achsig nachgeführter Fesnel-Kollektor mit 350 m² Aperturfläche (PSE, Freiburg) 2-stufige Absorptions-KM (Broad) mit 175 kw P Kälte Kollektorfluid: Wasser/Dampf (ca. 180 C) In Betrieb seit Sommer 2008 Bild: AICIA Bild: PSE 17
18 IEA Task 38 Seite 43 Plattform zur Bündelung der Aktivitäten in solarer Kühlung Organisation der Arbeitsinhalte in vier Subtasks: Subtask A (AEE-INTEC, Austria) Pre-engineered systems for residential and small commercial applications Subtask B (EURAC research, Italy) Custom-made systems for large non-residential buildings and industrial applications Subtask C (INES, France) Modelling and fundamtental analysis Subtask D (POLIMI, Italy) Market transfer activities Subtask A: Marktübersicht Komponenten, System Schemata, Monitoring, Bewertungsstandards, Installations- und Wartungsrichtlinien IEA Task 38 Seite 44 Subtask A: Aufbereitung von Betriebsergebnissen von 23 Anlagen im Leistungsbereich < 20 kw Subtask B: Monitoringergebnisse von 12 Anlagen > 20 kw Empfehlungen für Anlagenmonitoring Subtask D: Neuauflage des Handbuchs Solar Air- Conditioning in Buildings (Erstauflage innerhalb des IEA-SHC Task 25) 18
19 Zusammenfassung und Ausblick I Seite 47 Solarthermisch angetriebene Kälteverfahren sind in unterschiedlichsten Klimatisierungskonzepten und in der Prozesskälteerzeugung anwendbar Etliche Techniken und Komponenten zur Nutzung solarthermischer Systeme für Kühlung und Gebäudeklimatisierung sind marktverfügbar, aber nur vergleichsweise wenige Anlagen wurden bis heute installiert Derzeit mehrere Aktivitäten in der Entwicklung von Systemen im kleinen Leistungsbereich; Ziel: Minimierung des Planungsaufwandes für Systeme < 20 kw Nennkälteleistung Eine Primärenergieeinsparung im Vergleich zu konventioneller Anlagentechnik muss gewährleistet sein, nach Möglichkeit hydraulisch einfache Konzepte bevorzugen Zusammenfassung und Ausblick II Seite 48 Sorgfältige Inbetriebnahme und Überwachung des Anlagenbetriebs erforderlich: Systemverhalten wie erwartet? Bei Planungsbeginn immer Möglichkeiten einer Reduzierung des Kühllasten prüfen (z.b. Außenverschattung? Spitzenlastdeckung notwendig?) Alternativen in der Rückkühlung prüfen (z.b. Verwendung von Niedertemperaturwärme, Erdreich) Standardisierung in Anlagenkonzepten und Regelung sind notwendig, um zu niedrigeren Kosten zu gelangen Solar-Combi+ : umfassende Nutzung des solarthermischen Systems zum Heizen, Kühlen und zur Brauchwassererwärmung für Wohnbereich oder kleine Gewerbeeinheiten 19
20 Seite 49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 20
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