Solare Kühlung. Planungsleitfaden. SOLARTHERMIE 2000plus

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1 Planungsleitfaden Solare Kühlung SOLARTHERMIE 2000plus Solarthermische Anlagen zur Raumkühlung in Einzelgebäuden bzw. Gebäudegruppen Wissenschaftliche Programmbegleitung und Begleitforschung Solarthermische Gebäudeklimatisierung Förderkennzeichen A

2 SOLARTHERMIE 2000plus Seite 2

3 Planungsleitfaden Solare Kühlung Version 1.1 (28. Februar 2013) Version 1.2 (18. September 2013) Autoren: Edo Wiemken Alexander Morgenstern Matthias Schicktanz Björn Nienborg Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Heidenhofstraße Freiburg edo.wiemken@ise.fraunhofer.de Gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. Umschlagfoto: Solarthermisch unterstützte Kühlung eines Weinlagers in Tunesien. Die Anlage wurde mit Förderung durch die Europäische Kommission im Projekt MEDISCO realisiert. Mit Hilfe eines konzentrierenden Fresnel-Kollektors wird die Antriebswärme für eine Absorptionskältemaschine mit dem Stoffgemisch Ammoniak-Wasser bereitgestellt. Die Kältemaschine besitzt einen integrierten Luftkühler. Die Kälteträgertemperatur im externen Kältekreis beträgt ca. 0 C. Bildquelle: Fraunhofer ISE SOLARTHERMIE 2000plus Seite 3

4 Nomenklatur TKM AbKM AdKM KKM GK WP EER TKM seer TKM seer TKM,el EERSGK EER KKM seer KKM FK VRK LFK thermisch angetriebene Absorptions- oder Adsorptionskältemaschine Absorptionskältemaschine Adsorptionskältemaschine Kompressionskältemaschine, elektrisch betrieben Gaskessel Kompressionswärmepumpe, elektrisch betrieben Energy Efficiency Ratio einer thermisch angetriebenen Kältemaschine: Wärmeleistungsverhältnis Kälteleistung / Antriebswärmeleistung [ kwnutzkälteleistung / kwantriebswärmeleistung ] Energy Efficiency Ratio, saisonaler Wert, einer thermisch angetriebenen Kältemaschine: saisonales Wärmeverhältnis Nutzkälte / Antriebswärme [ kwhnutzkälte / kwhantriebswärme ] Energy Efficiency Ratio, saisonaler Wert, einer thermisch angetriebenen Kältemaschine: saisonale elektrische Arbeitszahl [ kwhnutzkälte / kwhel ] Energy Efficiency Ratio eines thermisch angetriebenen Sorptionsprozesses: Wärmeleistungsverhältnis Enthalpiedifferenz / Antriebswärme [ kwhdelta_h / kwhantriebswärme ] (definiert für Betriebsperioden mit Entfeuchtungsleistung) Energy Efficiency Ratio einer elektrisch betriebenen Kompressionskältemaschine: elektrische Leistungszahl [ kwnutzkälteleistung / kwel ] Energy Efficiency Ratio, saisonaler Wert, einer elektrisch betriebenen Kompressionskältemaschine: saisonale elektrische Arbeitszahl [ kwhnutzkälte / kwhel ] Flachkollektor Vakuumröhrenkollektor Linear fokussierender Kollektor (einachsig nachgeführter Kollektor) Spezifischer Kollektorertrag Jahreskollektorertrag, bezogen auf die installierte Kollektorfläche (Aperturfläche) [kwhthermisch / m² ] Kollektor-Nutzungsgrad Kollektorertrag (z.b. Jahresertrag), bezogen auf die Einstrahlungssumme des gleichen Zeitraums in Kollektorebene [ kwhthermisch / kwheinstrahlung ] SOLARTHERMIE 2000plus Seite 4

5 Definition Leistungs- / Arbeitszahl Im Planungsleitfaden werden die folgenden Definitionen zur Beschreibung der thermischen und elektrischen Effizienz thermisch angetriebener Kältetechnik verwendet: Thermische Leistungs- bzw. Arbeitszahl und Bilanzraum Q Kälte_TKM Leistungszahl EER TKM = Q Antrieb_TKM [kw th / kw th ] (2.1.1); Arbeitszahl (saisonal) seer TKM = T Q Kälte_TKM dt T Q Antrieb_TKM dt [kwh th / kwh th ] (2.1.2). Q Antrieb Ab- /Adsorptions- Kältemaschine Q Nutzkälte Bilanzraum Rück- Kühler Elektrische Arbeitszahl und Bilanzraum el. Arbeitszahl (saisonal) seer TKM_el = T Q Kälte_TKM dt T E Hilfsenergie_TKM dt [kwh th /kwh el ] (2.1.3). Solar Antrieb Elektroenergie E Ab- /Adsorptions- Kältemaschine Q Nutzkälte Rück- Kühler Die elektrische Hilfsenergie umfasst den Elektroenergieeinsatz für die Kreislaufpumpen (Kollektor, Heißwasserkreis, Kühlwasserkreis), für den Betrieb der Kältemaschine selbst und für den Rückkühler. Die Kaltwasserverteilungspumpe ist nicht enthalten. Abbildungen: Fraunhofer ISE Bilanzraum SOLARTHERMIE 2000plus Seite 5

6 Inhalt 1 Vorbemerkungen Komponenten der thermisch angetriebenen Kälte- und Klimatisierungstechnik Kälteversorgung mit geschlossenen Systemen Absorptionstechnik Adsorptionstechnik Rückkühlung Kollektoren Stationäre Kollektoren Nachgeführte Kollektoren Wirkungsgrade, Erträge Kollektorstillstand Offene, sorptionsgestützte Luftkonditionierung Anwendungsfelder und Nutzungsbeschränkungen Verfahren der sorptionsgestützten Klimatisierung Auswahl der geeigneten Grundkonfiguration Systemtechnische Aspekte Betriebstemperaturen, Temperaturhub und Kollektorart Speicher Zusätzliche Wärme- / Kälteversorger Betriebsführung Realisierte Anlagen Normung und Standardisierung Weitere Informationen Anhang A1 Beispiel: Kenndaten einer Absorptionskältemaschine A2 Typische Volumenströme in thermisch betriebenen Kältemaschinen A3 Kollektorkennlinien: Einfluss der Einstrahlung A4 Flachkollektor: Einfluss der Kennlinienparameter SOLARTHERMIE 2000plus Seite 6

7 1 Vorbemerkungen Der Planungsleitfaden Solare Kühlung richtet sich an Planer, Gebäudeausstatter, Installateure und weitere Interessierte. Ziel ist es, diesen Personengruppen einen Überblick über den Stand der Technik im Bereich solarthermisch gestützter Verfahren zur Kühlung und Klimatisierung geben. Der Planungsleitfaden soll dabei helfen, häufige Fehler zu vermeiden und Unterstützung bei der Konzeption bieten. Der Planungsleitfaden ist im Rahmen einer Begleitforschung zu Anlagen der solarthermisch unterstützten Gebäudeklimatisierung im Förderprogramm Solarthermie 2000plus entstanden 1. Im Leitfaden wird ausschließlich solarthermisch gestützte Kühlung behandelt. Dies wird auch im Allgemeinen bisher unter Solarer Kühlung verstanden, da in dieser Anwendung thermisch angetriebene Verfahren der Wärmetransformation zum Einsatz kommen und lokal erzeugte Wärme aus einem Solarkollektorfeld vor Ort direkt für die Kühlung und Klimatisierung eingesetzt wird. Kollektorfeld sowie Hydraulik sind auf diesen Anwendungsfall hin ausgelegt. Gegenwärtig wird auch zunehmend die Option diskutiert, Elektroenergie aus dem lokalen PV-Generator direkt zur Kälteerzeugung 2 mit konventioneller Kompressionskältetechnik zu nutzen. Dies impliziert eine elektrotechnisch direkte Kopplung der Komponenten bzw. spezielle Speicherkonzepte und Regelungsstrategien. Diese Anwendungen sind noch nicht üblich und werden hier nicht weiter ausgeführt. Der Begriff Solare Kühlung / Klimatisierung bezieht sich daher im Leitfaden auf solarthermisch angetriebene Verfahren. Ebenso wird auf wirtschaftliche Aspekte hier nicht weiter eingegangen. Das Themenfeld ist komplex und von sehr vielen Randbedingungen beeinflusst und wird beispielsweise in einem vom BMU geförderten Projekt speziell behandelt 3. Das Ziel einer Installation der solaren Kühlung ist im Vergleich zu einer konventionellen kältetechnischen Installation - Primärenergieeinsparung und die Vermeidung von schädlichen Emissionen, die beispielsweise zur Erhöhung des Treibhauseffektes beitragen. Auch bei Nutzung von Solarenergie kann allerdings dieses Ziel bei ungünstiger Anlagenkonfiguration verfehlt werden; einer sorgfältigen Anlagenauslegung und effizienten Technik muss daher hohe Aufmerksamkeit gewidmet werden. Unter diesem Gesichtspunkt sind auch die Kapitel des Leitfadens gestaltet, auch wenn an dieser Stelle nicht zwangsläufig konkrete Dimensionierungshinweise gegeben werden können. 1 Solarthermie 2000plus: Wissenschaftliche Programmbegleitung und Begleitforschung Solarthermische Gebäudeklimatisierung. Förderkennzeichen A, Laufzeit: Ausführende Stelle: Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE Solarthermie 2000plus ist ein Förderprojekt des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Durchführung des Förderprojektes: Projektträger Jülich(PtJ) GmbH 2 Die Begriffe Kältebereitstellung, Kälteerzeugung, Nutzkälte, usw. sind physikalisch nicht korrekt, da immer Wärmeentzug bzw. Wärmeaufnahme und damit eine Temperaturabsenkung im entsprechenden hydraulischen Kreis gemeint ist. Dennoch werden diese allgemein üblichen Bezeichnungen auch hier verwendet. 3 EVASOLK Evaluierung der Chancen und Grenzen Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien. Förderkennzeichen A. Laufzeit: 2010 bis Koordination: Fraunhofer ISE; weitere Partner: ILK Dresden, ZAE Bayern SOLARTHERMIE 2000plus Seite 7

8 In sonnenreichen Regionen sind neben Primärenergieeinsparungen auch Aspekte einer besseren Kompatibilität der Kälteversorgung mit leistungsschwachen Stromnetzen von Bedeutung, wenn im Sommer hohe Anteile der Stromerzeugung für Kühl- und Klimatisierungszwecke eingesetzt werden. Hier könnte die solare Kühlung zu einer Beruhigung in der Netzbelastung beitragen. In sonnigen Regionen sind dazu spezielle Kälteprozesse in Verbindung mit konzentrierender Kollektortechnik einsetzbar, auch dazu wird ein Beispiel gegeben. Der Leitfaden geht zunächst auf die Hauptkomponenten der solaren Kühlung ein und stellt Besonderheiten der Absorptionstechnik, der Adsorptionstechnik, der Rückkühlung und der Kollektoren dar (Kapitel 2). Mit diesen Techniken wird Kaltwasser zur Gebäudekühlung und klimatisierung sowie zur Prozesskühlung bereitgestellt. Der offenen, sorptionsgestützten Klimatisierung zur Zuluftkonditionierung, in der ebenfalls solare Wärme als Prozessantriebsmedium anwendbar ist, wird ein eigenes Kapitel gewidmet (Kapitel 3). In Kapitel 4 wird ein allgemeines Schema zur Auswahl geeigneter Grundkonfigurationen vorgestellt und anhand von Beispiel-Schemata erläutert. Das Auswahlschema unterstützt in der Vorplanungsphase die Identifizierung einer geeigneten Konfiguration der solaren Kühlung. Systemtechnische Aspekte, etwa den Aufbau von Speichern oder die Einbindung zusätzlicher Wärme-/Kälteversorger betreffend, werden in Kapitel 5 erörtert. Schließlich enthält Kapitel 6 Anmerkungen zum Stand der Normungs- und Standardisierungsaktivitäten. Am wirtschaftlichsten und effektivsten ist die Vermeidung bzw. Verringerung von Kühllasten auf gebäudetechnischer Seite. Es versteht sich von selbst, dass dieser Gesichtspunkt vor der Planung einer aktiven Gebäudekühlung hinreichend berücksichtigt werden sollte. Auch im Gebäudebestand sind hier zahlreiche Möglichkeiten gegeben. Auf die Gebäudeseite geht der Leitfaden aus Gründen der thematischen Begrenzung nicht ein. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 8

9 2 Komponenten der thermisch angetriebenen Kälte- und Klimatisierungstechnik In diesem Leitfaden liegt der Schwerpunkt der Darstellung auf Prozessen, in denen eine Wärmetransformation mit thermischem Antrieb zur Kühlung und Klimatisierung durchgeführt wird. Abbildung 2.1 gibt einen Überblick über Verfahren, die diesen Prozessen zugeordnet sind und die bereits im Zusammenhang mit solarer Wärmenutzung aufgebaut bzw. erprobt wurden. Die regenerative Komponente liegt dabei in der Wärmebereitstellung, die über Solarkollektoren erfolgt. Natürlich sind auch andere Wärmequellen mit geeigneten Temperaturen einsetzbar, z.b. Abwärme aus industriellen Prozessen oder aus Kraft-Wärme- Kopplung. Für die Nutzung von Wärme aus fossilen Quellen (z.b. Gaskessel) gelten besondere Randbedingungen, damit der Prozess nicht primärenergetisch und emissionsbedingt ungünstiger wird, als konventionelle Kältebereitstellung mit elektrisch betriebenen Kompressionskältanlagen (vergl. Abschnitt 5.3). Elektroenergie-Konversion: Photovoltaikmodul Thermische Konversion: Solarkollektor Elektrisch betriebene Kompressionskältetechnik Wärmetransformation Thermomechanisch Offener Prozess Geschlossener Prozess Rankine Flüssigsorption Gegenstrom- Absorber Feststoffsorption Entfeuchtungs- Rotor Festbett-Prozess Absorption; Flüssige Sorbentien Wasser / Liithiumbromid Wasser / Lithiumchlorid Ammoniak / Wasser Adsorption; feste Sorbentien Wasser / Silicagel Wasser / Zeolith Dampfstrahl-Prozess Vuilleumier Abbildung 2.1 Beispiele für Prozesse, in denen sich Sonnenenergie als regenerative Antriebswärmequelle zur Kühlung und Klimatisierung nutzen lässt. Auf die farbig markierten Prozesse wird im Leitfaden eingegangen. Gestrichelte Umrandung: Pilotanlagen im Test. Von den thermomechanischen Prozessen ist der Dampfstrahlkälteprozess von Bedeutung, hier gab es bereits Pilotversuche mit solarthermischer Wärme als Antriebsquelle. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 9

10 Die Wärmetransformation wird hinsichtlich ihrer Geschlossenheit im Prozess in zwei Kategorien eingeteilt: In geschlossenen Prozessen wird ein Kältemittel bei niedrigem Druck verdampft und entzieht dabei einem äußeren Kältemittelträgerkreis Wärme; dies ist der eigentliche Kühleffekt. Der Kältemitteldampf wird von einem Sorptionsmittel ab- oder adsorbiert zur Aufrechterhaltung des Kältemitteldampfstroms. Damit der Prozess nicht nach Erreichen der Sättigung des Sorptionsmittels zum Erliegen kommt, wird mit (solarer) Wärme das Kältemittel in einem Generator wieder ausgetrieben. Der ausgetriebene Kältemitteldampf wird nach Kondensation wieder dem Verdampfer zugeführt und der ausgetriebene Sorptionsstoff wird erneut zur Sorption eingesetzt; damit sind die zwei Kreisprozesse für das Kältemittel und das Sorptionsmittel geschlossen; Offene Prozesse kommen in der direkten Luftbehandlung in Klimatisierungssystemen zum Einsatz. Ein Sorptionsmittel entzieht der Zuluft einen Teil des Wasserdampfes im offenen Kontakt unter atmosphärischem Druck. Die Zuluft wird damit entfeuchtet; dies ist der Hauptteil der Klimatisierungsaufgabe im offenen Sorptionsprozess. Auch hier wird solare Wärme zur Regeneration der Sorptionseinheit (thermisches Austreiben des Wassers aus dem Sorptionsmittel) eingesetzt. In begrenztem Maße kann mit direkter oder indirekter Verdunstungskühlung auch zusätzlich die Zuluft gekühlt werden. Offene, sorptionsgestützte Klimatisierung wird in Abschnitt 3 behandelt. 2.1 Kälteversorgung mit geschlossenen Systemen In der geschlossenen Technik werden Stoffpaare eingesetzt, von denen eine Komponente als Kältemittel, die andere als Sorptionsmittel zur Aufnahme des Kältemittels verwendet wird. Unterschieden wird zwischen zwei Verfahren, die kommerziell angewendet werden: in der Absorption wird das Kältemittel chemisch vom flüssigen Sorptionsmittel absorbiert, während in der Adsorption das Kältemittel an der hochporösen Oberfläche eines festen Sorptionsmittels gebunden wird. Hauptunterschied ist die Kontinuität der Prozesse: in Absorptionskältemaschinen verlaufen Kältemittelaufnahme und anschließende Austreibung sowie Kondensation kontinuierlich durch einen stetigen Transport der Kältemittel-Sorptionsmittellösung, während im Adsorptionskälteprozess periodisch zwischen Adsorption und Austreibung (Funktionsumkehrung des Adsorbers zum Generator) umgeschaltet wird. Im Prinzip benötigen beide Prozesse vergleichbare Komponenten, die bautechnisch in einem Gehäuse zu einer Maschine zusammengefasst sind (Abbildung 2.1.1). Als Arbeitspaare kommen verschiedene Materialien zum Einsatz. Im Folgenden werden stets zuerst das Kältemittel und dann das Sorptionsmittel genannt. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 10

11 Absorption Adsorption Kondensator Rückkühlung Kondensator Generator Antriebswärme Generator Kältemittel Kontinuierlicher Transport der Lösung Periodische Funktionsumkehrung Kältemittel Absorber Rückkühlung Adsorber Verdampfer Wärmeentzug Nutzkälte Verdampfer Q HT T Schub Q MT = Q HT + Q NT T Hub Q NT Abbildung Oben: Vereinfachtes Schema der Ab- und Adsorption. Hauptunterschiede liegen in den unterschiedlichen Stoffpaaren sowie in der Prozesskontinuität: In der Absorption wird das flüssige Stoffgemisch aus Kältemittel und Sorptionsmittel kontinuierlich im Umlauf transportiert, während in der Adsorption eine periodische Funktionsumkehrung zwischen Adsorber und Generator durch Wechsel der hydraulischen Ankopplung erfolgt. In Adsorptionskälteanlagen wird keine Lösungsmittelpumpe benötigt, dafür bieten Absorptionskältemaschinen durch den Einsatz eines Wärmeübertragers in den Lösungskreisläufen die Chance, Wärme aus der heißen, kältemittelarmen Lösung auf die kältere, kältemittelreiche Lösung zu übertragen, so dass für das Austreiben weniger Wärme eingesetzt werden muss und die Effizienz der Anlage steigt. Auch in Adsorptionskältemaschinen wird zwischen den periodischen Funktionsumkehrungen durch hydraulische Kopplung der Sorptionskammern ein kurzer Wärmerückgewinnungsprozess ermöglicht, dessen Effektivität aber im Vergleich zum AbKM-Prozess begrenzt ist. Unten: Wärmemengenbilanz des Prozesses. Die Wärmemenge, die bei mittlerer Temperatur MT im Rückkühlkreis an die Umgebung abgegeben wird (oder einer anderen Mitteltemperaturnutzung zugeführt wird) setzt sich aus der Niedertemperatur-Wärmeaufnahme (NT) im Verdampfer und aus dem Hochtemperatur-Wärmeeintrag (HT) im Generator zusammen. Die Temperaturdifferenz (TMT TNT) wird als Hub, die Differenz (THT TMT) als Schub bezeichnet. In Absorptionskältemaschinen sind die gängigsten Arbeitspaare Wasser/Lithiumbromidlösung und Ammoniak/Wasser. In Adsorptionskälteanlagen werden meist Wasser/Silika-Gel und Wasser/Zeolith eingesetzt; in F&E-Aktivitäten wird auch das Stoffpaar Methanol/Aktivkohle untersucht. Das folgende Beispiel geht auf die Verwendung von Wasser als Kältemittel ein: Im Verdampfer nimmt das Kältemittel bei niedrigem Druck (< 10 mbar; Wasser als Kältemittel) hohe spezifische Wärmemengen zum Verdampfen auf und entzieht damit dem SOLARTHERMIE 2000plus Seite 11

12 äußeren Kälteträgerkreis Wärme (nutzbarer Kühleffekt). Wird Wasser als Kältemittel im Prozess verwendet, ist damit aus Frostschutzgründen die Temperatur im Kälteträgerkreis aus physikalischen Gründen auf > 0 C und aus technischen Gründen auf > 5 C begrenzt; Im Absorber bzw. Adsorber wird der Kältemitteldampf aufgenommen. Dabei wird Sorptionswärme frei, die abgeführt werden muss, um unter den gegebenen Druck- und spezifischen Stoffbedingungen die Kältemittelaufnahme zu ermöglichen. Dazu wird diese Komponente an den Rückkühlkreis der Kältemaschine angeschlossen; Im Generator wird durch Wärmezufuhr z.b. solare Wärme das Kältemittel als Dampf wieder aus dem Sorptionsmittel ausgetrieben (auch Austreiber genannt). Das Zusammenspiel zwischen Ab(d)sorber und Generator zur Kältemittelaufnahme aus dem Verdampfer und nachfolgender Austreibung für den weiteren Kreislauf wird auch als thermische Kompression bezeichnet, da diese Baugruppe prinzipiell den Kompressor in herkömmlicher Kältetechnik ersetzt; Der Kältemitteldampf gelangt nach dem Generator in den Kondensator. Dort erfolgt die Verflüssigung unter Abgabe der Kondensationswärme an den Rückkühlkreis. Anschließend wird das Kältemittel wieder dem Verdampfer zugeführt (bei Ammoniak/Wasser Absorptionskältemaschinen erfolgt das Trennen des Arbeitspaares oft in einer Rektifikationskolonne, um eine höhere Abscheidung der beiden Stoffe zu erreichen). Für den Prozess lässt sich ein Carnot scher Vergleichsprozess definieren, der aus einer Kombination der Carnot-Wirkungsgrade für eine Wärme-Kraftmaschine und einen Kälteprozess besteht. Man erhält dann das theoretische Maximum des Wärmeleistungsverhältnisses / (Nutzkälteleistung / Antriebswärmeleistung) in Abhängigkeit aller drei Temperaturniveaus: mit Eingabe der Temperaturen in [K]. Da es sich um eine Kennzahl der Wärmetransformation und nicht um einen physikalischen Wirkungsgrad handelt, sind Werte > 1 möglich. Das Wärmeleistungsverhältnis / realer Maschinen, entweder aus Datenblättern oder Betriebsdaten ermittelt, wird in der Literatur häufig derzeit als Coefficient of Performance COP bezeichnet. Allerdings wird international versucht, eine einheitliche Bezeichnungsstruktur für thermisch angetriebene Wärmetransformation einzuführen. Danach werden Leistungs- und Arbeitszahlen zur Bereitstellung von Nutzwärme (Wärmepumpen) weiterhin als COP angegeben, in Verfahren zur Nutzkältebereitstellung als Energy Efficiency Ratio EER bezeichnet (s. Kapitel 7). Diesem Vorschlag wird hier gefolgt, mit dem Zusatz EER TKM für thermisch angetriebene Technik, um eine Verwechslung mit dem EER KKM elektrisch betriebener Kompressionskältetechnik zu vermeiden. Abbildung zeigt exemplarisch Bereiche des Wärmeleistungsverhältnisses für Adsorptions- und Absorptionstechnik über der Antriebstemperatur; die Kaltwasser- und Kühlwassertemperatur wurde festgehalten. Die Bereiche sind herstellerabhängig und daher nur als grobe Orientierung zu verstehen. Zusätzlich ist die theoretische Obergrenze Grenz für die angegebenen Temperaturen eingezeichnet; die real erreichten Werte liegen etwa auf der Linie Grenz * 0.3. Der Faktor, in diesem Fall 0.3, wird hier als Prozessqualität bezeichnet. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 12

13 Grenz Absorption, 3-stufig EER TKM Wärmeverhältnis EER th Grenz * 0.3 Absorption, 1-stufig Adsorption Absorption, 2-stufig Temperaturen Kaltwasser: ca. 8 C Kühlwasser: ca. 27 C > 200 C; Heißdampf Generatortemperatur [ C ] Abbildung Schematische Darstellung der Wärmeleistungsverhältnisse für thermisch angetriebene Kälteverfahren. Kalt- und Kühlwassertemperatur sind konstant. Zusätzlich ist die Carnot sche Grenzkurve eingetragen; die realisierten Techniken erreichen ca. 30% des Grenzwertes Absorptionstechnik In der Absorptionskältetechnik werden überwiegend die Stoffe Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid als flüssiges Sorptionsmittel eingesetzt (prinzipiell möglich, bisher aber nur in einem Produkt in geschlossener Technik angewendet: Lithiumchlorid als Sorptionsmittel). Mit diesem Konzept lassen sich im Kälteträgerkreis technisch tiefe Temperaturen bis ca. 5 C erreichen; darunter besteht die Gefahr von Frostschäden im Verdampfer und die interne Steuerung unterbricht den Prozess. Damit ist die H 2O/LiBr- und H 2O/LiCl-Technik hauptsächlich für klassische Gebäudeklimatisierung, nicht aber für Gefriertechnik geeignet. Eine weitere technische Variante nutzt Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Sorptionsmittel; mit dieser Technik können im Kälteträgerkreis Temperaturen < 0 C erreicht werden. Die typische Anwendung war bis vor wenigen Jahren Prozesskältebereitstellung im großen Leistungsbereich mit individuell angepassten Anlagen. Inzwischen gerät die Technik auch für Gebäudeklimatisierung mit speziellen Speicherkonzepten (z.b. Eisspeicher) oder als Wärmepumpe mit Außenluftnutzung unter 0 C in den Blickpunkt des Interesses. Abbildung zeigt schematisch den einstufigen Absorptionskälte-Prozessablauf über Druck und Temperatur für Wasser/Lithiumbromid. Die Temperatur im Mitteltemperaturkreis orientiert sich an der Umgebungstemperatur als Wärmesenke der Rückkühlung. Entsprechend der Stoffeigenschaften des Kältemittels wird dadurch der Kondensatordruck festgelegt (z.b. Wasser: < 50 mbar). Die Stoffeigenschaften des Kältemittels legen ebenfalls den Verdampferdruck fest (z.b. Wasser: < 10 mbar). Wegen der drucktechnischen Kopplung der Komponenten Verdampfer Absorber und Generator Kondensator herrschen in jeweils beiden Komponenten näherungsweise gleiche Drücke. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 13

14 Technologie Prozess Kältemittel Sorptionsmittel Kältemedium Verteilung geschlossen Absorption Wasser Lithiumbromid Lithiumchlorid Kälteträger > 6 C Zuluftkühlung und Entfeuchtung, Umluftkühler, Kühldecken,. Ammoniak Wasser Kälteträger < 0 C + Frostschutz Phasenwechselspeicher, Gewerbliche und industrielle Kühlung (Lebensmittel, Chemie,...), Abbildung Geschlossene Absorptionstechniken, die am Markt verfügbar sind. Einige Eigenschaften der Absorptionstechnik sind im Folgenden kurz zusammengefasst: Absorptionstechnik ist geschichtlich länger bekannt als Kompressionskältetechnik. Dabei wurden bereits früh Verfahren mit Kältemitteln, die Eiserzeugung zulassen, untersucht. Zur Weltausstellung 1878 in Paris erfolgte die öffentliche Demonstration einer Eisblockerzeugung mit einer periodisch arbeitender Absorptionskältemaschine, die einen konzentrierenden Solarkollektor als Antriebsquelle nutzte; Im Betrieb von Absorptionskältemaschinen mit dem Stoffpaar H 2O/LiBr müssen Vorkehrungen getroffen werden, um eine Kristallisation der Lösung zu vermeiden (meistens in die maschineneigene Steuerung implementiert). Dazu sind der Kühlwassertemperatur Grenzen gesetzt, die nicht über- bzw. unterschritten werden dürfen. Ein Betrieb mit trockener Rückkühlung bei hohen Außentemperaturen ist daher nur begrenzt möglich; Im Betrieb von Absorptionskältemaschinen mit LiBr oder LiCl als Sorptionsmittel müssen Vorkehrungen getroffen werden, um die übrigen Bauteile der Anlage vor dem korrosiven Verhalten der Salze zu schützen. Dazu kann versucht werden, die Korrosion zu reduzieren und/oder aber Abhilfe bei auftretender Korrosion zu schaffen. Um Korrosion der Bauteile zu vermeiden, werden z.b. Korrosionsinhibitoren wie Lithium Molybdat ( ) oder Wärmeübertrager aus Edelstahl eingesetzt. Wird die Korrosion in Kauf genommen, werden Absaugsysteme eingesetzt, die den bei der Korrosion frei werdenden Wasserstoff aus dem Inneren der Anlage befördern; Im Vergleich zu Adsorptionskälteanlagen weisen Absorptionskältemaschinen bei gleichem Kältemittel (z.b. Wasser) aufgrund des eingesetzten Lösungswärmeübertragers stets eine höhere Effizienz auf; Absorptionskältetechnik auf H 2O/LiBr-Basis wurde in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts überwiegend im großen Leistungsbereich (> 100 kw Kälteleistung) durch Nutzung von Abwärme oder mit eingesetztem Gasbrenner (direktbefeuert) installiert. Innerhalb der letzten 20 Jahre geriet der Antrieb mit solarer Wärme zunehmend in den Blickpunkt des Interesses. Schließlich trat eine sprunghafte Marktentwicklung von Kältemaschinen im kleinen Kälteleistungsbereich < 20 kw ein, darunter auch eine spanische Entwicklung mit 4.5 kw Nennkälteleistung und integriertem Luftkühler (Fa. Rotartica), sowie eine Entwicklung auf H 2O/LiCl-Basis, in der auch die Kristallisationsphase des Lithiumchlorids als interner Energiespeicher genutzt wird (Fa. ClimateWell, Schweden). SOLARTHERMIE 2000plus Seite 14

15 Druck Planungsleitfaden Solare Kühlung Beide Entwicklungen zielten unter anderem auf südeuropäische Märkte, die aber wirtschaftlich bedingt zum Erliegen kamen; beide Produkte sind derzeit nicht verfügbar; In sonnenreichen Regionen ist die mehrstufige Absorptionstechnik interessant im Zusammenhang mit konzentrierender Kollektortechnik. Bei diesem Verfahren sind Generator und Kondensator kaskadenförmig in zweifacher Ausführung (2-stufig) oder in dreifacher Ausführung (3-stufig) aufgebaut. In zweistufiger Technik erfolgt der Austrieb des Kältemittels in der oberen, zweiten Druckstufe (für Wasser als Kältemittel bei etwa 1bar). Die Abwärme des Kondensators aus der oberen Druckstufe (bei fast 100 C) wird dann genutzt um die untere Druckstufe anzutreiben. Für den Betrieb dieses 2-stufigen Verfahrens sind Antriebstemperaturen > 140 C (Wasser oder Dampf), erforderlich. Damit können hohe Wärmeverhältnisse mit EER TKM > 1.3 (2-stufig) bzw. > 1.6 (3-stufig) erreicht werden; Absorptionskältetechnik auf NH 3/H 2O-Basis wurde neben der bereits erwähnten maßgeschneiderten Anfertigung für industrielle Kälte im großen Leistungsbereich auch in den vergangenen Jahren für kleine Anwendungen < 20 kw weiterentwickelt. Neben Prozesskälteanwendungen ist die Technik auch im Zusammenhang mit Eisspeichern für einen zeitlich gestreckten Betrieb außerhalb der Sonnenscheinstunden interessant. Weitere Vorteile sind Betriebsmöglichkeiten mit trockener Rückkühlung (Standorte mit Frischwassermangel) und die fehlende Kristallisationsgefahr. Allerdings benötigt diese Technik in der Regel höhere Antriebstemperaturen (> 100 C) und der EER TKM ist aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Ammoniaks als Kältemittel durchschnittlich geringer als in der H 2O/LiBr-Technik. Die Tabelle zeigt typische Kennzahlbereiche der Absorptionstechnik ohne Anspruch auf Vollständigkeit. Wärmeabgabe (Kühlturm) Wärmeaufnahme (z.b. Solarkollektor) Kältemitteldampf Kältemitteldampf Generator Drossel Lösungsmittelpumpe Lösungswärmeübertrager Absorber Verdampfer Kondensator Wärmeaufnahme (Nutzkälte) Wärmeabgabe (Kühlturm) NT MT HT Temperatur Abbildung Schema des Absorptionsprozesses. Der Mitteltemperaturbereich MT wird durch die Art der Rückkühlung festgelegt; der geeignete Antriebstemperaturbereich wird durch die Eigenschaften des Sorptionsmaterials vorgegeben. Ein Wärmeübertrager im Lösungsmittelkreis trägt wesentlich zur Erhöhung der Effizienz bei. Der Druck in den Komponentengruppen ist abhängig von den Eigenschaften des eingesetzten Kältemittels. Jeweils Verdampfer-Absorber und Generator- Kondensator befinden sich auf annähernd gleichem Druckniveau. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 15

16 Abbildung Links: 2-stufige Absorptionskältemaschine mit ca. 170 kw Kälteleistung, die mit einem konzentrierenden Kollektor (ca. 180 C Antriebstemperatur) betrieben wird. Anwendung: Universität Sevilla. Bildquelle: AICIA, Sevilla. Rechts: 1-stufige Absorptionskältemaschine mit 10 kw Kälteleitung zur solarthermischen Unterstützung der Prozesskühlung in einer Radiologischen Praxis in Berlin. Bauhöhe der Maschine: ca m. Absorption, H 2 O/LiBr Absorption, NH 3 /H 2 O Typische Betriebsdaten 1-stufig 2-stufig 3-stufig Einstufig Antrieb, Eintritt 75 C 95 C 140 C 180 C Wasser; Dampf Dampf 85 C-240 C Kaltwasser, Austritt > 6 C > 6 C > 6 C -20 C - > 0 C Kühlwasser, Eintritt 27 C 35 C 27 C 35 C 27 C 35 C 25 C 45 C EER TKM > 1.0 (1.4) > 1.4 (1.8) Nennkälteleistung > 15 kw > 150 kw > 500 kw > 10 kw Hersteller (nicht vollständig) EAW (Deutschland), Yazaki (Japan), Broad (China), Thermax (Indien), Carrier (USA), York (USA), Broad (China), Thermax (Indien), LG (Korea), Hitachi (Japan), Carrier (USA), York (USA), Kawasaki (Japan), Hitachi (Japan) Pink (Österreich), Robur (Italien), Ago (Deutschland), Kolibri (Niederlande), Geeignete Kollektortechnik für solarthermischen Antrieb Hochwertiger Flachkollektor Vakuumröhren- Kollektor Linear konzentrierender Kollektor Linear konzentrierender Kollektor Vakuumröhren- Kollektor Linear konzentrierender Kollektor Tabelle Überblick über typische Kennzahlbereiche in der Absorptionstechnik (Heißwasser bzw. Dampf im Antriebskreis; direktbefeuerte Systeme sind nicht enthalten). Die Angaben sind nur als Richtwerte zu verstehen, genauere Angaben müssen den Anbieterspezifikationen entnommen werden. Der Leistungsbereich der Anbieter ist sehr unterschiedlich. Anbieter im Nennkälteleistungsbereich < 50 kw: z.b. EAW, Yazaki (H2O/LiBr, 1-stufig); Pink, Robur (NH3/H2O). SOLARTHERMIE 2000plus Seite 16

17 2.1.2 Adsorptionstechnik Im Gegensatz zur Absorption beruht die Adsorption nicht auf einer Lösung des Kältemittels im Sorptionsmittel, sondern auf der Anlagerung des dampfförmigen Kältemittels an der Oberfläche bzw. im Potenzialfeld der Oberfläche des Sorptionsmittels, Adsorbens genannt. Bei diesem handelt es sich in gegenwärtigen Maschinen um hochporöse Feststoffe. Geeignete Adsorbentien müssen bestimmten Anforderungen genügen: Die Phasengrenzfläche, an deren Oberfläche die Moleküle des Kältemittels anlagern, muss groß sein, um eine hohe Kältemittelaufnahme zu gewährleisten (typisch: m² pro Gramm Adsorbens; mit Porengrößen im Bereich 1 nm); Das Adsorbens sollte auch dem Stofftransport durch die Poren keine nennenswerten Widerstände entgegensetzen; Das Adsorbens muss sich gut an eine Wärmeübertragerstruktur ankoppeln lassen, um die Sorptionswärme abzuführen bzw. um die Regenerationswärme zur Desorption (Austreibung) des Kältemittels zuzuführen; Der Vorgang muss reversibel sein (am besten ohne einen Hystereseeffekt) und eine hohe Zyklenstabilität aufweisen, d.h., Adsorption und Desorption müssen beliebig oft durchführbar sein ohne Veränderung der Kenndaten des Prozesses. Technologie Prozess Kältemittel Sorptionsmittel Kältemedium Verteilung geschlossen Adsorption Wasser Silicagel Zeolith Kälteträger > 6 C Zuluftkühlung und Entfeuchtung, Umluftkühler, Kühldecken,. Abbildung Geschlossene Adsorptionstechniken, die am Markt verfügbar sind. Adsorption Desorption Kältemittel Adsorbens Q. Q. Wärmeübertrager Abbildung Um einen Wärmeübertrager ist das Adsorbens angeordnet. Ist das Sorptionsmittel wenig beladen, d.h. frei von Kältemittel, wird unter geeigneten Betriebsbedingungen (Druck und Temperatur) Kältemitteldampf aufgenommen (adsorbiert), der sich an der hochporösen Oberfläche des Materials anlagert. Dabei wird Kondensations- und Bindungswärme frei, die über den Wärmeübertrager abgeführt werden muss. Der Vorgang läuft bis zur annähernden Sättigung des Adsorbens; danach muss der Kältemitteldampf wieder ausgetrieben werden, indem Wärme auf höherem Temperaturniveau zugeführt wird. Anschließend kann der Vorgang von Neuem beginnen. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 17

18 Druck Planungsleitfaden Solare Kühlung Verdampfer Kondensator Generator Q WRG 4 1 Adsorber 6. NT MT HT Temperatur KONDENSATOR Kühlwasser ADSORBER Kühlwasser Wärmeübertrager mit Silicagel DESORBER Antriebswärme Wärmeübertrager mit Silicagel automatische, innere Ventile Kältemittelrücklauf Kaltwasser VERDAMPFER Abbildung Oben: Schematischer Prozessablauf (ideal). Die Punkte markieren den Kältemittelkreislauf, die Punkte den Beladungskreislauf des Adsorbens. Typische Druckniveaus für das Kältemittel Wasser sind < 10 mbar (Verdampfer, Adsorber) und < 50 mbar (Generator, Kondensator). QWRG bezeichnet die Vorwärmung bzw. Vorkühlung der Adsorberkammern durch den Wärmerückgewinnungsprozess. Unten: Schematischer Aufbau einer Adsorptionskälteanlage. Das Gerät enthält zwei identisch aufgebaute Adsorberkammern, von denen jeweils eine Kältemittel adsorbiert (Anschluss an Kühlkreislauf und Kältemitteldampfaufnahme durch offene Verbindung mit dem Verdampfer), während die andere Kältemittel desorbiert (Anschluss an Heißwasserkreislauf und Abgabe des Kältemitteldampfes durch offene Verbindung mit dem Kondensator). Verdampfer und Adsorber sowie Desorber (Generator) und Kondensator sind jeweils auf näherungsweise gleichem Druck. Die inneren Ventile öffnen sich in einigen Geräten durch Druckdifferenzen ohne aktive Ansteuerung. Die beiden Adsorberkammern wechseln periodisch ihre Funktion durch Wechsel in der hydraulischen Ankopplung. Vor dem Funktionswechsel erfolgt eine Wärmerückgewinnungsphase, indem z.b. die Wärmeübertrager im Desorber und Adsorber kurzzeitig miteinander gekoppelt werden. Analog zum Absorptionskälteprozess wird der Kühlkreislauf an eine externe Rückkühlung angeschlossen und eine (solare) Wärmequelle für den Antrieb, d.h. für die Desorption, benötigt. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 18

19 Um ähnlich wie bei Absorptionskältemaschinen durch den Lösungswärmeübertrager realisiert, auch für Adsorptionskälteanlagen eine Wärmerückgewinnung zwischen Austreiber und Adsorber durchzuführen, sind derzeit zwei Konzepte in der Praxis erprobt: Ein hydraulischer Kurzschluss zwischen Adsorber und Austreiber, um beide Adsorberkammern auf das gleiche Temperaturniveau (Mitteltemperatur) zu bringen; dieses Konzept wird beispielsweise in Geräten der Fa. Mayekawa und in früheren Geräten der Fa. Nishyodo (nicht mehr auf dem Markt) eingesetzt; Ein verzögertes Umschalten der Rücklaufventile nach den Vorlaufventilen, so dass das heißere Wasser in den Heißwasserkreis und das kühlere Wasser in den Kühlwasserkreis strömt. Der ideale Umschaltzeitpunkt für dieses Konzept ist dann, wenn sich die Austrittstemperaturen der beiden Adsorberkammern schneiden. Dieses Konzept wird beispielsweise von der Fa. SorTech eingesetzt. Daneben werden noch weitere Konzepte diskutiert, die in der Praxis bisher aber noch keine Anwendung fanden. Dazu gehört, die Austrittsströme der beiden Adsorberkammern gemäß ihrer Temperatur (und Dichte) in einen Speicher einzuschichten und dem Bedarf nach wieder zu entladen. Daneben ist auch noch das Prinzip der "thermal wave" bekannt, bei der eine Temperaturfront, die sog. thermische Welle, durch die Wärmeübertrager strömen soll, die dann zu einer höheren Wärmeausnutzung führen sollen. Neben diesen Wärmerückgewinnungseffekten wurde für Adsorptionskälteanlagen aber auch eine Stoffrückgewinnung vorgeschlagen, wobei während der Umschaltphase eine Klappe zwischen den beiden Adsorberkammern geöffnet werden soll, durch die es zu einem Druckausgleich bei gleichzeitiger Beladungserhöhung kommen soll. In marktverfügbaren Geräten werden als Sorptionsmittel ausgewählte Silikagele und Zeolithe eingesetzt; Kältemittel ist Wasser. Andere Materialkombinationen und Verbindungen mit Wärmeübertragerstrukturen sind derzeit F&E-Gegenstand; Ziel sind höhere Adsorptionsraten und bessere Wärmeübergänge, um die Leistungsdichte in Adsorptionskälte- und Wärmepumpenanwendungen zu steigern. Nachfolgend sind einige Eigenschaften der Adsorptionskältetechnik zusammengefasst: Adsorptionskältetechnik ist deutlich weniger am Markt verbreitet als Absorptionskältetechnik, entsprechend gering ist auch die Anzahl der Anbieter. Als kommerziell verfügbare Produkte seien hier (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) die Fa. Mayekawa, Japan, mit Adsorbern in der Leistungsklasse > 100 kw sowie die deutschen Firmen SorTech und Invensor genannt, beide mit Geräten < 20 kw Kälteleistung. Alle derzeitigen Geräte nutzen Wasser als Kältemittel; Die erforderlichen Antriebstemperaturen der bisher verfügbaren AdKM in typischen Anwendungsbereichen lassen eine Kombination mit hochwertigen solarthermischen Flachkollektoren zu. Dies kann sich jedoch bei Einsatz neuer Stoffpaare in der TKM (Sorptionsmittel, Kältemittel) ändern und deutlich höhere Antriebstemperaturen erfordern, die gegebenenfalls eine Anwendung mit solarer Wärme nicht mehr sinnvoll zulassen (Zielmarkt: direktbefeuerte Sorptions-Wärmepumpen); In Adsorptionskältemaschinen existiert keine Lösungspumpe; der Stromverbrauch ist daher sehr gering. Die Anzahl bewegter Teile innerhalb des evakuierten Bereichs SOLARTHERMIE 2000plus Seite 19

20 beschränkt sich auf die Klappen/Ventile zwischen den Kammern, dafür werden aber steuerbare 3-Wege-Ventile in der externen hydraulischen Verschaltung benötigt. Der Aufbau ist grundsätzlich einfach. Kleinere Geräte besitzen auch keine Kältemittelpumpe; der Betrieb ist daher nahezu geräuschlos. Hohe Anforderungen werden allerdings an die Aufrechterhaltung des Vakuums gestellt; Nennwerte des EER TKM in AdKM sind etwas ungünstiger als in einstufigen AbKM. Da keine Kristallisationsgefahr besteht, sind die Kühlwassertemperaturen dadurch nicht beschränkt; allerdings nimmt analog zu Absorptionskältemaschinen die Effizienz mit steigenden Kühlwassertemperaturen stark ab; Aufgrund der Wärmerückgewinnung ist eine Rückkühlung mit offenen Nasskühltürmen unüblich. Hier werden daher geschlossene Nasskühltürme eingesetzt. Herstellerseitig wird auch für geeignete Standorte die trockene Rückkühlung empfohlen, gegebenenfalls mit einer Sprühvorrichtung an den Luftkühlern zum kurzen Einsatz bei hohen Außentemperaturen. Abbildung Betriebsdaten aus einer solarthermisch unterstützten Adsorptionskälteanlage: Temperaturverlauf in allen drei hydraulischen Kreisen; jeweils Ein- und Austrittstemperatur. Der Kammerbetriebswechsel erfolgt etwa alle 7-8 Minuten, gefolgt von einer kurzen Wärmerückgewinnungsphase, die an den Temperaturspitzen erkennbar ist. Während der Wärmerückgewinnung werden maschinenintern die Wärmeübertragerkreise von Adsorber- und Generator gekoppelt und durch eine der Pumpen (z.b. Kühlwasserpumpe) betrieben; der Heißwasserkreis läuft über einen Bypass weiter. Nach Umschaltung auf Normalbetrieb wird kurzzeitig kühles Wasser aus der Wärmerückgewinnung in den Rücklauf des Heißwasserkreises injiziert. In der Planung einer solarthermisch betriebenen Adsorptionskälteanlage muss beachtet werden, dass durch den kurzen periodischen Wärmerückgewinnungsprozess, der je nach Maschinentyp bei Funktionswechsel der Kammern alle 5 bis 20 Minuten einsetzt, in allen drei hydraulischen Kreisen Temperatursprünge auftreten (s. Abbildung ). Diese durchlaufen das gesamte Leitungssystem und können bei kleinen Heißwasserspeichern die ordnungsgemäße Funktion der Kollektorpumpenregelung beeinträchtigen. Eine Lösung kann SOLARTHERMIE 2000plus Seite 20

21 durch den Einbau eines zusätzlichen Rücklaufpufferspeichers oder in einer entsprechenden Filterung der Temperaturwerte für die Steuerung bestehen. Das gleiche gilt auch für den Mitteltemperaturkreis, in dem gegebenenfalls bei starken Temperaturfluktuationen die Ventilatorsteuerung im Rückkühler nicht adäquat erfolgt. Abbildung Zwei Adsorptionskältemaschinen, die antriebsseitig mit solarer Wärme unterstützt werden. Links: Nennkälteleistung 70 kw zur Kühlung eines Laborgebäudes des Universitätsklinikums Freiburg. Rechts: einer von drei Adsorbern mit je 350 kw Nennkälteleistung zur Klimatisierung des Technologiecenters der FESTO AG & Co. KG, Esslingen/Berkheim. Bildquelle: Fraunhofer ISE. Abbildung Adsorptionskältemaschinen im Leistungsbereich < 20 kw Nennkälteleistung. Im Gerät rechts ist bereits eine Hydraulikgruppe mit Pumpen integriert. Bildquelle: SorTech (links), Invensor (rechts). SOLARTHERMIE 2000plus Seite 21

22 Adsorption, Zeolith / Silika-Gel Produktreihe HTC LTC ACS ADR-Z Antrieb, Eintritt 85 C 72 C 55 C - 95 C 68 C Kaltwasser, Austritt 14 C 15 C 6 C - 20 C 15 C Kühlwasser, Eintritt 27 C 27 C 22 C - 37 C 27 C EER TKM (Nennpunkt) Nennkälteleistung 18 kw 10 kw 8 / 15 kw > 110 kw Hersteller (nicht vollständig) Invensor (Deutschland) Invensor (Deutschland) SorTech (Deutschland) Mayekawa (Japan) Geeignete Kollektortechnik für solarthermischen Antrieb Hochwertiger Flachkollektor Vakuumröhren- Kollektor Hochwertiger Flachkollektor Vakuumröhren- Kollektor Hochwertiger Flachkollektor Vakuumröhren- Kollektor Hochwertiger Flachkollektor Vakuumröhren- Kollektor Tabelle Überblick über typische Kennzahlbereiche in der Adsorptionstechnik. Kein Anspruch auf Vollständigkeit. Die Angaben sind nur als Richtwerte zu verstehen, genauere Angaben müssen den Anbieterspezifikationen entnommen werden Rückkühlung Dem Abtransport der Abwärme und deren Effizienz kommt in der thermisch angetriebenen Kühlung eine Schlüsselrolle zu. Der Grund ist darin zu sehen, dass die Summe der beiden Wärmemengen, die von der Kältemaschine dem Kältemedienkreis entzogene Wärme sowie die Antriebswärme, im Zuge des Transformationsprozesses an die Umgebung abgeführt werden müssen. Diese Wärmemenge ist in der Regel wegen EER TKM < 1 (einstufige Prozesse) deutlich größer als die Wärmemenge, die in einer Kompressionskälteanlage zur Rückkühlung gelangt. Abbildung verdeutlicht dies schematisch. Hinzu kommt, dass thermisch getriebene Kälteprozesse deutlich sensibler auf eine erhöhte Rückkühltemperatur reagieren, als konventionelle Kompressionskälteprozesse. Für die konventionelle Rückkühlung wird elektrischer Strom als Hilfsenergie sowohl im Rückkühlwerk als auch für die Kühlwasserpumpe benötigt; daher liegt in einer solarthermischen Kühlung im Vergleich zur Kompressionskälteversorgung ein höherer Elektrizitätsbedarf vor. Dieser periphere Elektroenergiebedarf kann in zweifacher Weise minimiert werden: 1 durch eine Effizienzerhöhung der TKM, d.h., durch eine Erhöhung des EER TKM entweder durch geeignete Betriebstemperaturen oder durch maschinenseitige Effizienzerhöhung; 2 durch eine energieeffiziente Rückkühlung (effiziente Kühlturmtechnik, sorgfältige Auslegung und Regelung Kühlwasserkreis und Kühlwasserpumpe). SOLARTHERMIE 2000plus Seite 22

23 Rückkühlleistung / Kälteleistung [ kw / kw ] Planungsleitfaden Solare Kühlung Abbildung zeigt anschaulich, in welcher Weise eine Veränderung der thermischen Leistungszahl die benötigte spezifische Rückkühlleistung und entsprechend den Energieeinsatz dafür beeinflusst. Eine höhere Leistungszahl führt darüber hinaus auch zu Einsparungen in den Investitionskosten für das Rückkühlsystem (neben weiteren Einsparungen auf der Wärmeversorgungsseite). Kompression Sorption Q MT = W el + Q NT Q MT = Q HT + Q NT W el Q HT Q NT Q NT Abbildung Unterschiede in der Wärmemenge, die durch aktive Rückkühlung an die Umgebung abgeführt werden muss. Wel QNT QHT QMT elektrische Antriebsarbeit für die Kompression Niedertemperaturseite ( Nutzkälte ) Hochtemperaturseite (Antriebswärme) Mitteltemperaturseite (Rückkühlung) Adsorption, Absorption NH 3 /H 2 O Absorption H 2 O/LiBr 1-stufig stufig 3-stufig EER TKM,th COP th Abbildung Rückkühlleistung (pro kw Kälteleistung) als Funktion der thermischen Aufwandszahl EERTKM. Die Grafik enthält typische Arbeitsbereiche unterschiedlicher thermisch angetriebener Kältetechniken. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 23

24 Eine effektive Rückkühlung gewährleisten offene Nasskühltürme; das grundlegende Prinzip ist in Abbildung gezeigt. Das Kühlwasser wird in einem offenen Kreislauf verrieselt und über eine Füllmaterialschicht wird die Wärmeübertragerfläche zwischen dem Kühlwasser und dem Luftstrom erhöht. Der Hauptkühleffekt entsteht durch Verdunstungskühlung eines Anteils des Kühlwassers (< 3%); dieser Verlust wird durch Frischwasserzufuhr ausgeglichen. Ein Ventilator entfernt die gesättigte Luft zur Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Prozesses. Der tatsächliche Frischwasserbedarf ist meistens höher, da periodisch abgeschlämmt werden muss, um z.b. eine Aufkonzentration von Mineralien zu vermeiden. Um Korrosion im Kühlwasserkreis durch den konstanten Eintrag von Luftsauerstoff auszuschließen, werden offene Kühltürme üblicherweise über einen Trennungswärmeübertrager an die Kältemaschinen angebunden. Die Kühlturmvarianten unterscheiden sich beträchtlich hinsichtlich Geometrie und Lüfteranordnung und Prinzip. Kühltürme für große Anlagen sind häufig bereits mit einer Drehzahlregelung der Ventilatoren über einen weiten Luftvolumenstrombereich ausgestattet; kleinere Rückkühler besitzen oft nur Drehzahlstufen oder gar keine Drehzahlregelung. Ventilator Kühlwassereintritt Tropfenfänger Füllkörper Lufteintritt Frischwasser Kühlwasseraustritt Abbildung Grundschema eines offenen Nassrückkühlers. Nasskühltürme sind in geeigneten Klimazonen generell sehr effektiv, da die Kühlwassertemperaturen im Prinzip bis auf wenige Kelvin über die Feuchtkugeltemperatur der Umgebungsluft abgesenkt werden können; damit liegen die Kühlwassertemperaturen am Eintritt der Kältemaschine unterhalb der Umgebungstemperatur. Weniger Vorteile bieten Nassrückkühler in feucht-heißen Klimazonen, in denen die Verdunstungskühlung aufgrund der hohen Luftfeuchte von geringer Effektivität ist. Abbildung zeigt eine Weltkarte mit Jahreshöchstwerten der Feuchtkugeltemperaturen (Nachmittagsspitzen) 4 zur groben Beurteilung geeigneter Regionen für nasse Rückkühlung. In erster Näherung sind Standorte mit Feuchtkugeltemperaturen >> 25 C nicht optimal. Für eine Planung und Auslegung eines Kühlturms muss aber eine genauere Analyse der standortspezifischen meteorologischen Randbedingungen erfolgen. 4 Entnommen aus einer Darstellung des Climate Change Research Centre der University of New South Wales, Sydney, Canberry; Australia. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 24

25 Abbildung Jahreshöchstwerte der Feuchtkugeltemperaturen (Nachmittagsspitzen); Höchstwerte liegen bei knapp über 30 C. Bildquelle: Climate Change Research Centre CCRC der University of New South Wales, Australien. Eine Variante der Nasskühltürme besitzt einen geschlossenen Kühlwasserkreis; über einen externen Wasserumlaufkreis wird der Wärmeübertrager befeuchtet und die Verdunstungskühlung eingeleitet. Diese Rückkühler bieten den Vorteil, dass sie mit einem Wasser-Glykol- Gemisch betrieben werden können und somit frostsicher sind. Geschlossene Nasskühltürme können auch aus anderen Gründen, z.b. bei hoher Verschmutzungsgefahr im Kühlwasserkreis, erforderlich sein. Nachteilig sind die geringere Effizienz durch den zusätzlichen Wärmeübertrager sowie in der Regel höhere Investitionskosten. Nachteile von Nasskühltürmen sind der - abhängig von der Wasserqualität - erforderliche Aufwand zur Vermeidung von Verkalkung, Versalzung etc. sowie die Vermeidung von Keimbildung im Rückkühlwerk. In einigen Ländern (z.b. Frankreich) existieren dazu strikte Vorgaben, um Gesundheitsgefährdungen in der Nähe der Rückkühler auszuschließen. In Regionen mit Wasserknappheit kann auch der Wasserbedarf ein Ausschlusskriterium sein. Typische Wasserverbrauchswerte für offene Nasskühlung liegen im Bereich 1.0 bis 1.5 Liter Frischwasser pro kwh abgeführte Wärme; der Bedarf wird von den Umgebungsluftzuständen und sonstigen Betriebsbedingungen beeinflusst. Es gibt wenige Betriebsdaten über den tatsächlichen spezifischen Wassereinsatz. In einer Installation in Solarthermie 2000plus schwankt der Frischwasserbedarf zwischen 1 und 2 Liter/kWh th,rückkühlung; nach Einbau eines automatischen periodischen Wasseraustausches infolge von starken Verschmutzungsproblemen am Standort der Rückkühler (kein Trennungswärmeübertrager) stieg allerdings der Wasserbedarf auf 2 bis 5 Liter pro kwh th,rückkühlung (Monatsmittelwerte). Trockene Rückkühler, bei denen die Abwärme sensibel an die Umgebungsluft abgeführt wird, werden bisher typischerweise in Kompressionskälteanlagen und zur Prozessrückkühlung in der Industrie eingesetzt. Ihr Vorteil liegt in der einfachen Bauweise sowie darin, dass kein externes Frischwasser benötigt wird; damit entfallen auch die Probleme, die durch Verkeimung in dieser Komponente auftreten können. Sie sind insbesondere auch in Regionen mit Frischwassermangel bevorzugt. Nachteile dieser Technik sind die höheren SOLARTHERMIE 2000plus Seite 25

26 Kühlwassertemperaturen (einige Kelvin oberhalb der Umgebungstemperatur) sowie der höhere Elektroenergiebedarf für die Ventilatoren, da aufgrund der geringen Wärmekapazität von Luft hohe Luftvolumenströme erforderlich sind. Die höheren Kühlwassertemperaturen können an sehr warmen Standorten ein Ausschlusskriterium für bestimmte Arbeitsmittelpaare in der Sorptionstechnik (z.b. H 2O/LiBr) in herkömmlicher Anlagenkonfiguration sein. Eine Lösung bieten dann Verfahren, die zu einer zeitlichen Verschiebung der Rückkühlung in die kühleren Nachtstunden führen (z.b. Nutzung von Latentwärmespeichern im Kühlkreis) 5. Trockene Rückkühlung wurde bisher nur in Einzelfällen im Zusammenhang mit thermisch angetriebener Kühlung eingesetzt, da das höhere Kühlwassertemperaturniveau die Effizienz der Kälteerzeugung herabsetzt bzw. im Grenzbereich der zulässigen Betriebszustände liegen kann. Dennoch gewinnt die trockene Rückkühlung zunehmend an Interesse und wurde bereits als integrierter Bestandteil in einigen Entwicklungen kleiner Kälteleistung eingesetzt: in den Absorptionskältemaschinen der spanischen Fa. Rotartica (derzeit nicht mehr am Markt) und des italienischen Herstellers Robur ist ein Luftkühler direkt in die Maschine eingebaut; damit ist das Gerät für die Außenaufstellung gedacht (Abbildung ). Trotz des höheren Stromaufwands für den Ventilator hat diese Bauweise mehrere Vorteile: Kein zusätzlicher Installationsaufwand für die Rückkühlung; Durch kurze hydraulische Verbindung weniger Pumpenstromaufwand für die Kühlwasserumwälzung; Optimale Steuerung der Rückkühlung als integrierter Bestandteil der TKM-Regelung möglich; Prinzipiell gut geeignet für trockene, heiße Standorte mit Frischwassermangel. Nachteilig an diesem Prinzip ist, dass diese Anlagen im Freien aufgestellt werden müssen, was für deutsches Klima bedeutet, dass alle hydraulischen Verbindungsleitungen vor Frost geschützt werden müssen. Abbildung Links: zwei Varianten der Absorptionskältemaschine von Rotartica mit 4.5 kw Nennkälteleistung (mit und ohne eingebauten Luftkühler). Nach wirtschaftlichen Problemen der spanischen Bauindustrie wurde das Gerät vom Markt genommen. Rechts: Absorptionskältemaschine der Fa. Robur mit integriertem Luftkühler und 12 kw Nennkälteleistung (Stoffpaar NH3/H2O). Bildquelle: Anbieter. Darüber hinaus gibt es zwischen nasser und trockener Rückkühlung Mischvarianten, die für die solare Kühlung von Interesse sind. In Hybridkühlwerken mit geschlossenem Kühlwasserkreis kann je nach Bedarf ein externer Verdunstungskühlkreis aktiviert werden. In einer speziellen Variante erfolgt die externe Besprühung der Wärmeübertragerfläche ohne Wasser- 5 Martin Helm et al.: Performance of a Solar Heating and Cooling System with Absorption Chiller and Latent Heat Storage. Tagungsbeitrag zur 3 rd International Conference Solar Air-Conditioning, 30. September Oktober 2009, Palermo, Italien. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 26

27 rückführung nur kurzzeitig bzw. bei extremen Betriebszuständen; damit entfällt auch die Notwendigkeit einer Keimbehandlung. In einer solchen Anwendung muss die Sprühanordnung zwecks Minimierung des Wassereinsatzes sehr sorgfältig ausgelegt sein. Abbildung In einer Radiologischen Praxis in Berlin unterstützt eine solarthermisch angetriebene 10 kw-absorptionskältemaschine mit trockener Rückkühlung die Kühlung der tomografischen Einrichtungen. Die gesamte Anlage ist auf dem Dach installiert (im Container, linkes Bild: Kältemaschine, Speicher und Hydraulik; außerhalb des Containers: der Luftkühler, der bei ausreichend niedrigen Umgebungstemperaturen im Betriebsmodus freie Kühlung arbeitet). Bildquelle: Fraunhofer ISE. Dem Elektroenergieeinsatz für die Rückkühlung muss hohe Aufmerksamkeit gewidmet werden. In verschiedenen Anlagen zur solaren Kühlung wird im Rückkühlkreis zu viel Elektroenergie eingesetzt und damit der große Vorteil des geringen Strombedarfs der TKM wieder kompensiert. Daher empfiehlt sich unabhängig vom eingebauten Rückkühler der Einsatz von Ventilatoren mit besonders verlust- und geräuscharmen Flügelgeometrien und hocheffizienten EC-Motoren, welche sich zudem gut regeln lassen (Beispiel: Abb ). Abbildung Beispiel des Leistungsbedarfs für Ventilatoren mit unterschiedlichen Motoren und Regelungstechniken. Quelle: EBM-Pabst Abbildung zeigt exemplarisch die Elektroenergieaufwandszahl für die Rückkühlung in drei Anlagen mit nasser Rückkühltechnik aus Solarthermie 2000plus. Der Strombedarf für die Kühlwasserpumpen ist mit berücksichtigt. Dargestellt sind Jahreswerte bzw. Werte über einen Zeitraum mehrerer Monate. Zum Vergleich sind auch zwei Werte aus der DIN V SOLARTHERMIE 2000plus Seite 27

28 (2007) für offene und geschlossene Nasskühltechnik eingetragen; diese Werte enthalten allerdings nicht den Stromverbrauch der Kühlwasserkreispumpen. Man erkennt, dass die Betriebsdaten aus verschiedenen Anlagen beträchtlich streuen. Wegen der hohen Wärmemengen, die bei einstufiger Kältetechnik im Rückkühlwerk abgegeben werden müssen, muss das Ziel bei der Anlagenplanung und in der Erstellung der Regelstrategie darin liegen, die Stromaufwandszahl für nasse Rückkühlung auf kleinstmögliche Werte zu begrenzen (z.b. E el / Q th,rückkühlung < 0.025). Dazu gehört auch eine Überprüfung, ob bei großen Anlagen mit mehreren Kältemaschinen und Kühltürmen Alternativen zu hydraulischen Anordnungen mit Kühlwasserverteiler möglich sind, in denen immer eine doppelte Anzahl von Kühlwasserpumpen (primär und sekundär) erforderlich ist. kwh el / kwh th, Rückkühlung AdKM, 1050 kw; * AbKM, 20 kw; AbKM, 680 kw; 2011/2012 DIN V , axial, offen DIN V , axial, geschlossen kwh th, Rückkühlung / kwh el Abbildung Exemplarische Arbeitszahlen für nasse Rückkühlung. Die elektrische Aufwandszahl (Elektroenergieeinsatz pro kwh thermischer Rückkühlleistung) ist über deren reziproken Wert aufgetragen, da beide Darstellungen in der Literatur gebräuchlich sind. Besser geeignet sind Anlagen mit großer Wärmeabfuhr pro eingesetzten Strom, also geringem Stromverbrauch pro abzugebende Wärme. Diese Anlagen befindet sich auf der Kurve rechts unten. Die Rauten geben zwei Richtwerte aus der DIN V (2007) für Ausführungen mit Axialventilator (ohne Zusatzschalldämpfer) wieder. Diese Werte enthalten nur den Strombedarf für die Kühlturmventilatoren einschließlich Sprühwasserpumpe. Die anderen Markierungen sind Jahreswerte aus den Betriebsergebnissen von drei Anlagen in Solarthermie 2000plus und enthalten auch den Strombedarf für die die Kühlwasserpumpen. * Rückkühlung mit geschlossenem Kühlturm Als Vergleichswert aus der DIN die elektrische Aufwandszahl für trockene Rückkühlung: kwh el / kwh th,rückkühlung. Tabelle zeigt die Anteile am Elektroenergiebedarf für die thermisch angetriebene Kühlung innerhalb eines Betriebsjahres für zwei Anlagen aus Solarthermie 2000plus. Im ersten Beispiel wird der Strombedarf geprägt von den Pumpen im Antriebskreis der Kältemaschine (HT-Pumpen), die in dieser Anlage überdimensioniert sind. Der Aufwand für die Rückkühlung selbst ist akzeptabel (Kennzahl ca in Abbildung ). Im zweiten Beispiel beträgt der periphere Strombedarf für die Rückkühlung einschließlich Kühlwasserpumpen ca. 82% des gesamten Elektroenergieaufwands. Wird nur die Rückkühlung betrachtet, entfallen ca. 75% des Elektroenergiebedarfs hierfür auf Kühlwasserpumpen; das verbleibende Viertel wird für die Kühlturmventilatoren benötigt. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 28

29 Beispiel 1: AbKM, 20 kw Anteile am Elektroenergiebedarf (ohne Kaltwasserverteilung) Elektrische Energieaufnahme Anteil an ges. el. Energieaufnahme Elektrische Energieaufnahme Anteil an ges. el. Energieaufnahme [MWh] [%] [MWh] [%] Pumpen Solarkreis Pumpen Antriebskreis, Strombedarf AbKM Rückkühlwerke, Kühlwasserpumpe Summe Kältebereitstellung seertkm,el Kältebereitstellung seertkm,el [MWh] [-] [MWh] [-] Beispiel 2: AbKM, 680 kw Anteile am Elektroenergiebedarf (ohne Kaltwasserverteilung) Elektrische Energieaufnahme Okt Sept Anteil an gesamter elektr. Energieaufnahme [MWh] [%] Pumpen Solarkreis AbKM Pumpen Antriebswärme Kühlwasserpumpen AbKM Kühlwasserpumpen Kühltürme Ventilatoren Kühltürme Summe Kältebereitstellung seer TKM,el [MWh] [-] Tabelle Anteile des Stromeinsatzes für die thermisch angetriebene Kühlung innerhalb einjähriger Betriebszeiträume aus den Betriebsdaten von zwei Anlagen in Solarthermie 2000plus. Quelle: Fraunhofer ISE. Oben: kleine Absorptionskälteanlage mit solar autonomer Kühlung. Die Anlage enthält zwei Kältemaschinen und zwei Rückkühlwerke, der Stromaufwand ist für beide Einheiten jeweils zusammengefasst. Hier ist der Stromaufwand für die Rückkühlung relativ gering, dafür ist der Stromaufwand für die Pumpe im Heißwasserkreis der AbKM (zusammengefasst mit Strombedarf AbKM) hoch wegen einer Überdimensionierung der Pumpe. Unten: große Absorptionskälteanlage mit zwei Kältemaschinen und Rückkühlwerken. Der Anteil des Solarsystems ist gering, allerdings wird zur Kälteerzeugung neben solarer Wärme auch Abwärme aus einem BHKW und aus Gaskesseln eingesetzt. Im Kühlwasserverteilungssystem sind Primär- und Sekundärpumpen vorhanden (MT-Pumpe und Pumpen Kühltürme). Der Stromaufwand für die gesamte Rückkühlung dominiert in dieser Anwendung. Der Anteil zum direkten Betrieb der Absorptionskältemaschinen und für die Heißwasserspeisepumpen ist gering. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 29

30 Neben einer optimierten Steuerung des Rückkühlwerks sind auch andere Ansätze zur Minimierung des Elektroenergieeinsatzes möglich. Ein Beispiel ist die Rückkühlung über Erdsonden; damit kann gleichzeitig das umgrenzende Erdreich zur Nutzung als Niedertemperaturquelle (Heizung mit Wärmepumpen) regeneriert werden. Eine andere Möglichkeit bietet die Wärmeaufnahme durch einen Latentwärmespeicher während des Kühlbetriebs, der dann nachts bei niedrigen Umgebungstemperaturen effizient regeneriert werden kann 6. Optimal ist eine Nutzung der Abwärme z.b. zur Brauchwarmwasservorwärmung, zur Schwimmbadbeheizung oder für einen sonstigen Heizwärmebedarf. Dies könnte in Anwendungen mit gleichzeitigem Kühlbedarf und hohem Brauchwarmwasserbedarf gegeben sein, z.b. in Kliniken, technischen Gewerben mit hohem Warmwasserbedarf für Reinigungszwecke usw. Damit ist eine beträchtliche Steigerung der Gesamteffizienz möglich. Leider existieren bisher kaum Anwendungen dieser Art. In einigen Anwendungen solarer Kühlung im kleinen Leistungsbereich wurde der Rückkühlkreis mit einer Schwimmbaderwärmung gekoppelt. 6 Martin Helm et al.: Performance of a Solar Heating and Cooling System with Absorption Chiller and Latent Heat Storage. Tagungsbeitrag zur 3 rd International Conference Solar Air-Conditioning, 30. September 02. Oktober 2009, Palermo, Italien SOLARTHERMIE 2000plus Seite 30

31 2.2 Kollektoren Neben der technischen Einzelkomponente für die Kälteversorgung/Klimatisierung (Kältemaschine, sorptiv gestütztes Lüftungssystem) beeinflusst der solarthermische Kollektor wesentlich die Effizienz und Kostenseite der Anlage. Hierzu steht eine Vielzahl Kollektoren unterschiedlicher Qualität und Bauweise zur Verfügung. Generell wird unterschieden zwischen stationären und der Sonne nachgeführten Kollektoren. Erstgenannte kommen in Klimazonen mit hohem Diffusstrahlungsanteil zum Einsatz, letztere bei hoher Direktstrahlung oder wenn Betriebstemperaturen deutlich > 100 C erforderlich sind. In der Beschreibung von Kollektoranlagen und Kollektorerträgen ist die Angabe der Bezugsfläche von Bedeutung. Als Bezugsfläche werden Bruttoflächen, Aperturflächen und Absorberflächen verwendet (s. Abbildung 2.2.1); für Kollektorförderungen ist z.b. häufig die Bruttofläche maßgebend. Je nach Bauart des Kollektors können sich die Bezugsflächen beträchtlich voneinander unterscheiden. Alle Kollektorflächenangaben in diesem Leitfaden beziehen sich auf die Aperturfläche. Diese gibt die Lichteintrittsfläche des Kollektors an. Bruttofläche Aperturfläche Absorberfläche a Aperturfläche: n a ( l) Aperturfläche CPC-Spiegel Abbildung Zur Bezugsfläche von Kollektoren Stationäre Kollektoren Die stationären Kollektoren unterscheiden sich hinsichtlich - des Fluids (Luft, Wasser, Wasser mit Frostschutzzusatz), - der umschließenden Bauweise (Flachkollektor, Vakuumröhrenkollektor). Im Zusammenhang mit solarer Kühlung sind unter den Flachkollektoren aus Effizienzgründen nur abgedeckte Kollektoren mit selektiver Beschichtung des Absorbers von Interesse. Der einfachste Kollektor dieser Bauart ist der Luft-Flachkollektor. Das Kollektorfluid (Luft) wird über ein ausreichend dimensioniertes Rohrsystem mittels Ventilatoren dem Kollektor zugeführt. Unter der Glasabdeckung des Kollektors liegen geschlossene Luftkanäle mit rückseitiger Isolierung; die der Einstrahlung zugewandte Seite der Kanäle bildet die Absorberfläche. Diese Art von Kollektoren wird typischerweise zur Luftvorerwärmung in der Heizsaison, z.b. in gewerblichen Anwendungen, eingesetzt. Der Wärmeübergang auf einen flüssigen Wärmeübertrager ist aufwändig und eher untypisch. Luftkollektoren dieser Bauart wurden SOLARTHERMIE 2000plus Seite 31

32 Rahmen Planungsleitfaden Solare Kühlung bereits erfolgreich in Systemen der offenen, sorptionsgestützten Luftkonditionierung eingesetzt, in denen der erwärmte Luftstrom mit ca. 70 C Lufttemperatur direkt die Regeneration der Sorptionseinheit durchführt (vergl. Abschnitt 3). Vorteilhaft in der Anwendung von Luftkollektoren ist die einfache Beherrschung von Kollektorstillstand. Allerdings muss auch dort darauf geachtet werden, dass auskondensierende Luftfeuchtigkeit (und deren Vereisung im Luftkanalsystem) nicht die Anlage beeinträchtigt. Von Nachteil ist die fehlende bzw. nur aufwändig zu realisierende Speichermöglichkeit. Das Augenmerk muss bei der Realisierung eines solchen Systems auf der Minimierung des Strombedarfs für den Ventilator liegen. Eine Neuentwicklung auf dem Markt der Luftkollektoren ist die Nutzung der Vakuumröhrentechnik. Abbildung zeigt schematisch das Prinzip. Diese Technik erlaubt hohe Kollektoraustrittstemperaturen (auch > 100 C) und kann auch in Verbindung mit einem Warmwasserkreis zur Zwischenspeicherung der Wärme oder zum Antrieb von Kältemaschinen interessant sein; hierzu sind aber im Einzelfall entsprechende Abschätzungen zur Sinnhaftigkeit notwendig. las ö Thermoskannenprinzip evakuierter Bereich Absorberrohr (Medium: Luft) Selektive Beschichtung Abbildung Luftkollektor in Vakuumröhren-Bauform. Flachkollektoren mit flüssigem Wärmeträger stellen in Europa den größten Marktanteil an installierter Kollektortechnik. Im dezentralen Bereich liegt ihr Hauptanwendungsgebiet in der Brauchwarmwasserbereitung und Heizungsunterstützung im Temperaturbereich bis ca. 70 C. Hauptsächlich durch den Aufbau großer solarthermisch gestützter Wärmenetze in Österreich und Skandinavien vorangetrieben, erfolgte parallel auch die Entwicklung effizienter Flachkollektoren mit verringerten Wärmeverlusten und für höhere Temperaturbereiche (bis ca. 90 C), die oft auch in größeren Flächeneinheiten, z.b. 12 m² pro Einzelkollektor, angeboten werden. Merkmale dieser Kollektoren sind eine verbesserte Isolierung sowie eine zusätzliche Konvektionssperre, die aus einer Folie oder einer zweiten Glasscheibe bestehen kann. Zunehmend werden auch Flachkollektoren mit einer Antireflexbeschichtung zur Erhöhung des optischen Wirkungsgrades angeboten. Glasabdeckung Teflon-Folie Absorber, selektiv beschichtet Isolierung > 100 mm Abbildung Beispiel eines Flachkollektors mit verringerten Wärmeverlusten. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 32

33 Abbildung zeigt Prinzipskizzen von Vakuumröhrenkollektoren. Einwandige Glasröhren haben einen hohen optischen Wirkungsgrad, verlangen aber eine hohe Sorgfalt in der Ausführung der Dichtung, um ein langzeitstabiles Vakuum zu gewährleisten. Vakuumröhren nach dem Thermoskannenprinzip (Sydney-Typ) sind in dieser Hinsicht vorteilhaft, haben jedoch durch die doppelte Glasscheibe einen niedrigeren optischen Wirkungsgrad. Einige Hersteller sind mittlerweile mit Vakuum-Flachkollektoren auf dem Markt. Die Herausforderung besteht hier in der Gewährleistung des Vakuums durch eine entsprechend dichte Kollektorhülle und eingesetzte Fremdgas- Getter sowie in der statischen Beherrschung der Druckdifferenz Kollektorinnenseite/Umgebung. Hier sind zukünftige Betriebserfahrungen von besonderem Interesse. In Vakuumröhrenkollektoren können Stillstandstemperaturen von 200 C oder darüber auftreten, wenn die Wärme nicht abgeführt wird. Mit solchen Situationen muss prinzipiell gerechnet werden. Abschnitt enthält weitere Anmerkungen dazu. In einer besonderen Bauart von Vakuumröhrenkollektoren wird versucht, die Stillstandsprobleme bereits kollektorseitig zu unterbinden. Die Kollektoren enthalten einen eigenen Wärmeträgerkreis in einer Heat-Pipe; der Wärmeübertrager an den externen Kollektorkreislauf sitzt am oberen Ende der Röhre und gibt die Kollektorwärme an das Sammelrohr ab. Dabei kondensiert der Wärmeträger in der Übertragerkapsel und fließt in die Heat-Pipe zurück. Wird die Wärme extern nicht abgenommen, bricht der Kreislauf infolge mangelnder Kondensation ab und die Stillstandstemperatur (deutlich unterhalb der von konventionellen Vakuumröhrenkollektoren) ist erreicht. Die Stillstandstemperatur ist dabei stark produktabhängig. Mit dem Heat-Pipe- Prinzip soll bereits auch die Frostsicherheit zumindest des Kollektors selbst gewährleistet sein; Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass dies nicht zwangsläufig zutrifft 7. Dichtung Glasröhre evakuierter Bereich Absorber Absorberrohr las ö moska p i ip evakuierter Bereich Dichtung Leitblech Absorberrohr (Fluid) selektive Beschichtung Abbildung Schematische Darstellung von Vakuumröhrenkollektoren (Beispiele). 7 Massimiliano Ciccarelli, Ulrich Fritzsche: Frostprüfung von Heatpipe Vakuumröhrenkollektoren: keine Frage des Wärmeträgerfluids. Tagungsbeitrag zum 21. Symposium Thermische Solarenergie, Mai 2011, Kloster Banz, Bad Staffelstein SOLARTHERMIE 2000plus Seite 33

34 Abbildung Beispiele für stationäre Kollektoren. Links: Flachkollektor (zur solaren Kühlung mit einer kleinen Adsorptionskälteanlage am Fraunhofer ISE, Freiburg). Rechts: Vakuumröhrenkollektor (zur solaren Kühlung mit einer Adsorptionskälteanlage im Universitätsklinikum in Freiburg). Bildquelle: Fraunhofer ISE. Für solarthermische Kollektoren existieren internationale und europäische Normen und Qualitätskennzeichen. Im europäischen Raum ist die Kollektornorm EN maßgebend hinsichtlich Leistungsprüfung, mechanischer Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse (weitere Normen auf Systemebene: EN vorgefertigte Systeme, EN kundenspezifische Anlagen zur Trinkwassererwärmung und solare Kombianlagen). Auf internationaler Ebene ist die ISO 9806 von Bedeutung. Von den europäischen Normungsorganisationen CEN und CENELEC wurde darüber hinaus das Gütesiegel Solar Keymark geschaffen, das auch eine qualitätsorientierte Überwachung der Produktion sicherstellen soll. Eine der Voraussetzungen zur Vergabe des Solar Keymark für Kollektoren ist die Anwendung der EN Allerdings waren Luftkollektoren bisher nicht in diese EN eingeschlossen und entsprechend war auch die Vergabe des Solar Keymark für diese Kollektoren nicht möglich. Hier befindet sich gerade eine Norm in Vorbereitung; ein Entwurf existiert bereits. In Deutschland ist die Förderung von Kollektoranlagen z.b. durch das Marktanreizprogramm der Bundesregierung an die EN bzw. an das Solar Keymark gebunden; für Luftkollektoren gibt es Sonderregelungen, die eine Prüfung in Anlehnung an bestehende Normen voraussetzen Nachgeführte Kollektoren In Abschnitt wurden bereits die erforderlichen Antriebstemperaturen im Mitteltemperaturbereich zwischen ca. 140 C und 250 C erwähnt, die im Zusammenhang mit zweioder dreistufiger Absorptionstechnik oder mit NH 3/H 2O-Absorptionstechnik erforderlich sind. Der Direktstrahlungsanteil der solaren Strahlung kann genutzt werden, um hohe Konzentrationsverhältnisse und damit hohe Betriebstemperaturen im Kollektor zu erzielen. Der Kollektor muss dann dem Sonnenstand nachgeführt werden. Auch bei stationären Kollektoren werden bei einigen Fabrikaten die Absorber mit Spiegeln hinterlegt, um die Energieausbeute zu erhöhen. Diese Kollektoren erreichen aber keine hohen Konzentrationsverhältnisse und entsprechend keine hohen Wirkungsgrade im Tempe- SOLARTHERMIE 2000plus Seite 34

35 raturbereich >> 100 C; sie werden hier für den Einsatz im Mitteltemperaturbereich nicht weiter betrachtet 8. Durchgesetzt haben sich überwiegend linear konzentrierende Kollektoren, d.h. Kollektoren, die nur einachsig nachgeführt werden. Diese Art der Nachführung ist mit geringerem Aufwand mit ausreichender mechanischer Stabilität aufzubauen als zweiachsig nachgeführte Systeme. Für solarthermische Kraftwerke gibt es umfangreiche Betriebserfahrungen mit großen Kollektoranlagen, die im Hochtemperaturbereich > 350 C Wärme für den Turbinenprozess bereitstellen. Für solarthermische Kühlung sind diese Kollektoren weniger geeignet. Die konzentrierenden Kollektoren für den Mitteltemperaturbereich sind durch Anpassung des Konzentrationsverhältnisses speziell für diesen Temperaturbereich konzipiert und zeichnen sich durch kleinere Abmessungen und kleinere Modulgrößen aus. Es gibt zahlreiche Anbieter für diese Technik zur Prozesswärmeerzeugung, allerdings sind die Marktzahlen noch sehr gering und die Betriebserfahrungen mit den verschiedenen Kollektoren sind unterschiedlich umfangreich. Sekundärspiegel Randverlust Absorber = = Primärspiegel Randverlust Abbildung Prinzip des einachsig nachgeführten, linear konzentrierenden Kollektors nach dem Fresnel-Prinzip. Parallel angeordnete Spiegelreihen werden einzeln angesteuert, so dass der Absorber (z.b. evakuierte Absorberröhre) stets im Fokus liegt. Zur Vermeidung von Eigenabschattung der Spiegelreihen ist der Absorber im Vergleich zu Parabolrinnen-Kollektoren in großem Abstand zur Primärspiegelfläche angeordnet. Dadurch treten allerdings in longitudinaler Ausrichtung je nach Sonnenstand mehr oder weniger ausgeprägte inaktive Bereiche des Kollektors auf (Randverluste). 8 Allerdings sind prinzipiell bei geeigneter Druckfestigkeit stationäre Vakuumröhrenkollektoren in der Lage, Temperaturen im Wärmeträger > 100 C bereitzustellen mit noch akzeptabler Effizienz. Diese Anwendung ist ebenfalls in der solaren Kühlung in speziellen Anwendungen interessant. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 35

36 Abbildung Solarthermischer Fresnel-Kollektor in einer Anlage zur solaren Kühlung mit zweistufiger Absorptionskältetechnik an der Universität Sevilla, Spanien. Bildquelle: Industrial Solar GmbH. Zwei wesentliche Ausführungen von linear konzentrierenden Kollektoren werden angeboten: Parabolrinnenkollektoren. Der gesamte Spiegelkörper wird in der Längsachse gedreht, um den Absorber im Fokus zu halten. Der Absorber kann dabei in der Drehachse liegen, dies ist aber keine konstruktive Voraussetzung. Die Kollektoren werden im Gegensatz zu den Parabolrinnen großer solarthermischer Kraftwerke in kleinen Einheiten angeboten, z.b. mit Spiegellängen von ca. 3.5 m und mit Spiegelbreiten < 1.5 m. Grundmaterial des Spiegels ist häufig Aluminium. Fresnel-Kollektoren. Die Spiegelfläche ist hier in einzelne Segmente aufgeteilt, die in horizontaler, bodennaher Anordnung einzeln angesteuert und verstellt werden, um den Absorber in den Fokus zu bringen (s. Abbildung ). Prinzipiell ist es möglich, mit einem gemeinsamen Antrieb alle Spiegel gleichzeitig zur Fokussierung zu verstellen; allerdings wird oft eine Einzelansteuerung vorgezogen, da durch gezielte Defokussierung einzelner Spiegelreihen die Soll-Kollektortemperatur mit hoher Konstanz eingehalten werden kann. Ebenso lassen sich mit der Einzelansteuerung Sonderstellungen der Spiegel (z.b. für Reinigungszwecke) leicht realisieren. Die Spiegel können normale, rückseitig verspiegelte Glasstreifen sein. Vorteile dieses Prinzips: geringe Windlasten, einfache Reinigung der Spiegel. Installationen auf Flachdächern sind leichter zu bewerkstelligen. Nachteil: wegen der Randverluste sind kleine Kollektorflächen (ca. < 100 m²) mit kurzen Baulängen ungünstig. Für beide Kollektorarten gibt es jeweils mehrere Anbieter. Arbeitsmedien der Kollektoren sind Wasser, Thermoöl oder direkte Dampferzeugung. Es gibt noch keine umfassende Prüfnorm für diese Kollektoren, teilweise werden Leistungstests in Anlehnung an gängige Normen durchgeführt. Soll der Wirkungsgrad des Kollektorfeldes berechnet werden, ist die Bestimmung der Referenzeinstrahlung auf die Kollektorfläche aufwändig, da der Direkt- SOLARTHERMIE 2000plus Seite 36

37 strahlungsanteil auf die nachgeführte Ebene bestimmt werden muss. Eine Möglichkeit bietet die Anwendung eines Pyrheliometers, das aber Direktnormalstrahlungswerte für die zweiachsig nachgeführte Fläche liefert; für die einachsig nachgeführte Fläche müssen die Werte umgerechnet werden. Alternativ kann die Strahlungsermittlung rechentechnisch durch Berücksichtigung von Messwerten aus stationären Strahlungsmessgeräten für globale und diffuse Solarstrahlung erfolgen; dies erhöht aber die Unsicherheit in der Berechnung. Bei Darstellung von saisonalen Wirkungsgraden oder anderen Bewertungsgrößen, die die Einstrahlung berücksichtigen, sollte daher die Bestimmungsmethodik der Einstrahlung angegeben werden. Abbildung Pyrheliometer zur präzisen Messung der Direktnormalstrahlung (Direktstrahlung auf die exakt dem Sonnenstand nachgeführte Fläche). Bildquelle: Fraunhofer ISE. Ein Vorteil der konzentrierenden Kollektortechnik ist die einfache Beherrschung von Kollektorstillstand durch Defokussierung; ebenso lassen sich Solltemperaturen mit hoher Konstanz durch gezielte geringe Defokussierung einstellen (Leistungsdrosselung). In sonnenreichen, aber regenarmen Gebieten kann Feuchte (aus nächtlicher Taupunktunterschreitung) zusammen mit Staub- und Sandablagerungen innerhalb kurzer Zeit die Effizienz von Kollektoren signifikant herabsetzen, da der Reflexionsgrad für die Direktstrahlung bei Verschmutzung schnell abnimmt. Eine regelmäßige Reinigung des Kollektors ist daher Voraussetzung für einen effizienten Betrieb. Die Ausarbeitung von (wassersparenden) Reinigungsverfahren muss daher in der Planung bereits berücksichtigt werden. Linear-nachgeführte Kollektoren bieten gegenüber stationären Kollektoren den Vorteil, die Spiegelflächen zur Vermeidung von Ablagerungen nachts und bei Bedarf zum Boden auszurichten. Für die solarthermische Stromerzeugung im hohen Leistungsbereich werden aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten besondere Anforderungen an den Standort der Anlage gestellt, beispielsweise wird eine Auslastung von > 2000 Volllastbetriebsstunden des Kollektors im Jahr erwartet. Daraus lässt sich eine grobe Karte mit geeigneten Regionen ableiten (Abbildung ). Ob weitere Standorte mit weniger optimalen Einstrahlungsverhältnissen für Prozesswärmeanwendungen oder solare Kühlung mit konzentrierenden Kollektoren geeignet sind, muss im Einzelfall entschieden werden. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 37

38 Abbildung Aus einer Potenzialstudie für solarthermische Kraftwerke. Der Farbindikator gibt potenzielle Jahreserträge aus der Kraftwerkserzeugung an (GWh/km²). Auffallend ist die geringe Indikation in großen Bereichen Südostasiens und im Norden Südamerikas (wenig zusammenhängende wolkenfreie Zeiträume). Quelle: Solarthermische Kraftwerke Potenziale und Umsetzung, DLR, Unabhängig von der Kraftwerksnutzung ist die Karte auch ein Indiz für geeignete Regionen zum Aufbau konzentrierender Kollektortechnik im Mitteltemperaturbereich. Die potenziell geeigneten Regionen erweitern sich jedoch teils beträchtlich; z.b. sind große Bereiche Südeuropas durchaus geeignet Wirkungsgrade, Erträge Der Kollektorwirkungsgrad wird näherungsweise bestimmt durch ( ) ( ) ( ) [ - ] (x.1); mit c 0 = optischer Wirkungsgrad [ - ] c 1 = linearer Wärmeverlustkoeffizient [ W/m²K -1 ] c 2 = quadratischer Wärmeverlustkoeffizient [ W/m²K -2 ] T m = mittlere Kollektorfluidtemperatur [ C ] T U = Umgebungstemperatur [ C ] G = Einstrahlungsleistung in Kollektorebene [ W/m² ] IAM = Winkelkorrekturfaktor ( Incidence Angle Modifier; IAM=1.0 für =0 ) = Sonnenstandswinkel zur Flächennormalen ( = 0 ) Die Koeffizienten und der Winkelkorrekturfaktor werden in Leistungstests durch Parameteridentifikation aus gemessenen Wirkungsgradkurven als Funktion von (T m T U)/G ermittelt. Abbildung zeigt exemplarisch das Kennlinienfeld für neun unterschiedliche Kollektoren; dazu wurden Koeffizienten aus Prüfberichten verwendet. Die Abbildung zeigt sowohl Kennlinien für Flachkollektoren als auch für Vakuumröhrenkollektoren (Fluid: Wasser). SOLARTHERMIE 2000plus Seite 38

39 Für den Betrieb eines solaren Kühlsystems ist das Verhalten der Kollektoren bei festen Zielwerten der Kollektortemperatur interessant. Dazu enthält Anhang A3 zusätzliche Grafiken, die den Einfluss der Einstrahlung auf den Wirkungsgrad darstellen. Im interessanten Temperaturbereich für die solare Kühlung zeigen sich die Vorteile von Kollektoren mit hoher Effizienz insbesondere bei schwachen Einstrahlungsleistungen. 1.0 Wirkungsgrad [-]; 800 W/m² ( T Fluid_mittel - T Umgebung )/G [ K m²/w ] FK 1 FK 2 FK 3 FK 4 FK 5 VRK 6 VRK 7 VRK 8 VRK 9 Abbildung Kennlinienfeld von 9 verschiedenen Kollektoren zur Darstellung der Bandbreite der Kennlinien. FK: Flachkollektor, VRK: Vakuumröhrenkollektor. IAM jeweils 1.0. Für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit einer solarthermischen Anlage werden häufig die Kollektorerträge herangezogen; diese werden als spezifische Jahreserträge pro m² angegeben. Die Kollektorerträge geben nicht exakt die nutzbare solarthermische Wärmemenge wieder, da sie nachfolgende Speicher- und sonstige Systemverluste nicht enthalten. Dennoch sind sie bereits ein Indiz für die Ausnutzung des Kollektorsystems, da sie neben den meteorologischen und kollektorspezifischen Eigenschaften vor allem durch Kollektorvor- und Rücklauftemperaturen, Wärmenutzung, Steuerung und Stillstandszeiten stark beeinflusst werden. Abbildung zeigt als Beispiel die Größenordnung der erreichten jährlichen spezifischen Kollektorerträge aus vier Anlagen zur solaren Kühlung in Solarthermie 2000plus. Abbildung zeigt Jahresarbeitszahlen des Elektroenergieeinsatzes für Pumpen (und Kollektorsteuerung) zur Bereitstellung der solaren Wärme aus Solarthermie 2000plus- Anlagen zur solaren Kühlung. Die erreichten Effizienzen in dieser Hinsicht sind gut bis sehr gut, dennoch unterscheiden sich die spezifischen Arbeitszahlen ca. um den Faktor 2. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 39

40 Spezifischer jährlicher Kollektorertrag [ kwh / m² ] Planungsleitfaden Solare Kühlung VRK 1; VRK 2; * VRK 3; 2011/2012 FK 1; Mittlere tägliche Einstrahlungssumme [ kwh / (m² Tag) ] Abbildung Jährliche Kollektorerträge pro m² Aperturfläche aus vier Anlagen zur solaren Kühlung in Solarthermie 2000plus. Die Kollektoraustrittstemperaturen liegen typischerweise zwischen 70 C und 90 C. FK: Flachkollektor, VRK: Vakuumröhrenkollektor. In den Vakuumröhrenkollektoranlagen VRK 1 und 2 wird bei Frostgefahr Wärme vom Speicher zum Kollektor zurückgeführt (nur Wasser als Kollektorfluid). Diese rückgeführte Wärme ist bereits berücksichtigt, d.h., der Kollektorertrag entsprechend verringert. Die mittlere tägliche Einstrahlungssumme bezieht sich auf die Einstrahlung in Kollektorebene. * Ertragsverluste durch Abschattung (Baumbestand in Gebäude-/Kollektornähe) kwh el / kwh th, Kollektor kwh th, Kollektor / kwh el VRK 1; VRK 2; VRK 3; 2011/2012 FK 1; 2011 * Beispiel VDI 6002 (2004) Abbildung Jahresarbeitszahl (Elektroenergieeinsatz pro kwh solare Wärme und Kehrwert) von Kollektoranlagen in Anlagen zur solarthermischen Kühlung in Solarthermie 2000plus. In den Kollektorsystemen werden gute bis sehr gute Arbeitszahlen erreicht. Die Wärmerückfuhr zum Kollektor (VRK 1 und 2; nur-wasser-system) ist bereits vom Kollektorertrag abgezogen. VRK: Vakuumröhrenkollektor; FK: Flachkollektor. * Abschätzung aus Tagesprofilen da die Messstelle noch weitere Stromverbraucher enthielt SOLARTHERMIE 2000plus Seite 40

41 Stunde des Tages Planungsleitfaden Solare Kühlung Kollektorstillstand Als Kollektorstillstand wird eine Situation bezeichnet, in der Wärmeerzeugung im Kollektor stattfindet, diese aber nicht mehr vom System abgenommen wird. Ursache können bereits erreichte maximale Speichertemperaturen sein, die zur Abschaltung der Kollektorpumpe führen, aber auch ein Stromausfall kann zum Pumpenstillstand führen. Bei einem Kollektorstillstand kann das Fluid durch steigende Temperaturen teilweise oder vollständig in die Dampfphase übergehen, gleichzeitig steigt der Druck im Kollektorkreislauf. Wie weit sich die Dampfphase im Kollektorkreis ausbreitet, hängt vom Kollektortyp und von der hydraulischen Auslegung ab. Jan-Feb Mar-Apr Mai-Jun Jul-Aug Sep-Okt Abbildung Kollektortemperaturen einer Flachkollektoranlage für solare Kühlung in Solarthermie 2000plus. Horizontal: Tage im Jahr; vertikal: Kollektoraustrittstemperaturen in minütlicher Zeitauflösung über den Tag. Ende April trat ein mehrtägiger Kollektorstillstand auf mit Temperaturen bis ca. 140 C. Bei Vakuumröhrenkollektoren kann die Stillstandstemperatur auf Werte > 200 C ansteigen. Besteht das Fluid aus einem Wasser-Glykol-Gemisch, existiert die Gefahr einer Glykolzersetzung und Glykolrückstände können in engen Absorberröhren einen weiteren Kollektorbetrieb verhindern. Der Kollektor-Systemanbieter muss daher die Betriebssicherheit der Anlage bei Stillstand gewährleisten, da eine stets reibungslose Abnahme der solaren Wärme in keiner Anwendung, auch bei solarer Kühlung nicht, garantiert werden kann. Neben einer sorgfältigen hydraulischen Auslegung des Kollektorsystems, die z.b. eine Kondensation des Fluids an geeigneter Stelle vorsieht und eine thermische Überlastung von Bauteilen vermeidet, sind auch aktive Maßnahmen möglich, um einem Stillstand zu begegnen. Dies kann beispielsweise der Einbau eines Notkühlers sein, der bei zu hoher Austrittstemperatur aktiviert wird. Das setzt jedoch die Existenz einer unterbrechungsfreien Stromversorgung voraus und ist daher nur in größeren Anwendungen ausführbar. In einem Vakuumröhren-Kollektorfeld in Solarthermie 2000plus wurde dies realisiert (Abbildung ). Eine andere Möglichkeit ist der Aufbau der Kollektoranlage als Drain-back-System, bei dem nach Pumpenstillstand das Kollektorfluid vollständig in einen Vorratsbehälter entleert wird. Liegt der Fluidspiegel zudem im Gebäudeinnenbereich, kann auch auf Frostschutzzusätze im Fluid verzichtet werden. Bei Kollektorbetrieb muss die Pumpe neben den Reibungsverlusten im Rohrsystem zusätzlich den Höhenunterschied zwischen Vorratsbehälter und Kollektor überwinden. Diese Anlagen sind auch bei Stromausfall sicher, in der Planung jedoch aufwändiger, da besondere Anforderungen an die hydraulische Auslegung, Auswahl des Kollektors (vollständige Entleerung) und Auswahl der Materialien bestehen. Kollektorstillstand und Frostschutz werden aber mit der gleichen Maßnahme erreicht. In Deutschland ist diese Technik noch wenig verbreitet. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 41

42 Luftkühler Kollektor T Abbildung Ein Luftkühler lässt sich zur Begrenzung der Kollektorstillstandstemperaturen aktivieren, wenn die solare Wärme nicht mehr sekundärseitig abgenommen werden kann. Der Kühler nimmt bei Kollektoraustrittstemperaturen oberhalb von 100 C seinen Betrieb auf. Solarsteuerung, Kollektorpumpe und der Kühler müssen dann einer unterbrechungsfreien Stromversorgung zugeordnet sein. Kollektor Kollektor Fluidspiegel Abbildung Drain-back-System mit automatischer Entleerung des Kollektors bei Pumpenstillstand (links). Bei Kollektorbetrieb drückt die Pumpe zunächst die Luft (oder Gasfüllung) in das Vorratsgefäß und füllt den Kollektorkreislauf. In Anlagen bestimmter Anbieter wird derzeit auch auf den Frostschutzzusatz bewusst verzichtet. Bei Frostgefährdung wird die Kollektorpumpe intervallartig aktiviert und führt dem Kollektor warmes Wasser aus dem unteren Solarspeicherbereich zu; 20 C warmes Wasser sind dabei für diesen Zweck genügend. Diese Technik ist nur mit Vakuumröhren- Kollektoren durchführbar, Flachkollektoren weisen zu große Wärmeverluste auf. Außerdem bestehen Mindestanforderungen hinsichtlich einer lückenlosen und sehr guten Isolierung der Kollektorverrohrung im Außenbereich. Die Kollektorsteuerung muss sehr sorgfältig erprobt werden, um zu große Wärmerückführungen zum Kollektor zu vermeiden. Die Wärmemenge, die dabei zum Kollektor zurückgeführt wird, beträgt einige Prozent des jährlichen Kollektorertrages. Auch wenn diese Technik vorrangig auf die Frostsicherheit zielt, erleichtert sie die Beherrschung des Kollektorstillstands, da keine Fluidzersetzung eintreten kann. Reines Wasser als Kollektorfluid bietet darüber hinaus die Vorteile einer höheren Wärmekapazität, besserer Wärmeübergänge sowie die Möglichkeit, den Wärmeübertrager im Kollektorkreis einzusparen. Damit entfällt auch der Stromverbrauch einer Sekundärkreispumpe und die elektrische Aufwandszahl der solarthermischen Wärmebereitstellung kann erhöht werden. Nachteilig ist, dass der Kollektor bei einem Stromausfall in der Frostperiode nicht geschützt ist. Diese Technik wurde in zwei Anlagen zur solaren Kühlung in Solarthermie 2000plus eingebaut und hat sich innerhalb der Auswertungszeiträume der Messdaten gut bewährt. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 42

43 3 Offene, sorptionsgestützte Luftkonditionierung 3.1 Anwendungsfelder und Nutzungsbeschränkungen Für die Klimatisierung von Gebäuden werden neben den kaltwassergestützten Anlagen auch Anlagen zur Luftkonditionierung genutzt. Da bei diesen Anlagen eine direkte Behandlung der Luft erfolgt und das verwendete Kältemittel Wasser in direktem Kontakt mit der Atmosphäre steht, werden sie auch als offene Systeme bezeichnet. Das Verteilmedium ist bei diesen Anlagen die Luft selbst, welche dem Raum oder dem Gebäude zugeführt wird. Grundsätzlich kann bei Lüftungsanlagen eine Unterscheidung in drei verschiedene Prinzipien erfolgen: reine Zuluftsysteme, reine Abluftsysteme und gekoppelte Zu- und Abluftsysteme. Da nur die letztgenannte Variante eine kontrollierte Raum- und Gebäudeklimatisierung unter Nutzung von wärmegetriebenen Verfahren, sog. sorptionsgestützten Klimatisierungsverfahren, ermöglicht, werden die anderen Verfahren im Folgenden nicht betrachtet. Ein weiterer Vorteil von gekoppelten Zu- und Abluftsystemen sind außerdem die Möglichkeiten der Wärme- und auch Feuchterückgewinnung. Die Aufgabe von Lüftungsanlagen besteht allgemein darin, Räume oder Gebäude mit frischer Luft zu versorgen und die verbrauchte Luft zu ersetzen. Damit sollen bestimmte Luftfeuchte- und Lufttemperaturwerte eingehalten als auch Schadstoffwerte begrenzt werden. Die Bereitstellung der Zuluft erfordert in den meisten Fällen eine Behandlung der Luft bezüglich ihrer Temperatur und Feuchte: im Sommer meist eine Zuluftkühlung und Entfeuchtung und im Winter eine Erwärmung und teilweise auch eine Zuluftbefeuchtung. Das Ziel der Lüftungssysteme besteht darin, wie auch bei den kaltwassergestützen Klimatisierungssystemen, in den klimatisierten Gebäudebereichen ein behagliches Raumklima zu gewährleisten (sog. Behaglichkeitsbereich; Definitionen z.b. in der DIN EN ISO 7730). Mit der aus dem Raum entfernten Luft werden Wärme- und Feuchtelasten abgeführt, die durch Personen oder Prozesse frei gesetzt werden. Die dafür notwendige Luftwechselrate kann dem hygienischen Luftwechsel entsprechen aber auch in Abhängigkeit der Anwendung höher sein. Lüftungsanlagen werden daher vor allem in Gebäuden eingesetzt, in denen ein hoher Frischluftbedarf besteht oder eine bestimmte Luftwechselrate vorgeschrieben ist. Dies sind vor allem Büros, Veranstaltungsräume, Bibliotheken aber auch Klinikgebäude. Neben der Wärme- und Feuchtefreisetzung durch Personen wird Kühlbedarf durch Geräte und Maschinen sowie durch Wärmeeinträge durch die Gebäudehülle hervorgerufen. Wesentliche Vorteile von Lüftungssystemen bestehen in der direkten Nutzung von Außenluft zur Kühlung, der Möglichkeit, flexibel auf die Nutzungsbedürfnisse in unterschiedlichen Räumen oder Gebäudebereichen reagieren zu können und zusätzlich das System sowohl für Heizung als auch für Kühlung zu nutzen. Mit der relativ einfachen Möglichkeit der Integration einer Wärmerückgewinnung aus der Abluft lassen sich insbesondere in der Heizperiode signifikante Energieeinsparungen durch die Verringerung des Heizenergiebedarfes erzielen. (Feuchterückgewinnung bisher sehr wenig verbreitet) Als Nachteile werden der Platzbedarf für die Lüftungskanäle im Gebäude sowie auch die Installations- und Wartungskosten angesehen. Diese Problematik kann aber insbesondere im Neubaubereich durch eine enge Zusammenarbeit zwischen Architekten und Anlagenplaner bereits im Vorfeld gelöst werden. Die resultierenden Installationskosten fallen damit geringer aus, als bei der Nachrüstung derartiger Systeme. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 43

44 Der Großteil der installierten offenen, sorptionsgestützten Klimatisierungssysteme nutzt Fernwärme oder Abwärme von Blockheizkraftwerken zur Regeneration der Sorptionseinheit und damit zum Antrieb des Entfeuchtungsprozesses. Ein weit geringerer Teil der Anlagen wird mit Solarwärme betrieben. 3.2 Verfahren der sorptionsgestützten Klimatisierung Für die Bezeichnung Sorptionsgestützte Klimatisierungssysteme (SGK) wird häufig auch der englischsprachige Begriff Desiccative Evaporative Cooling (DEC) genutzt. Im Gegensatz zu kaltwassergestützten Klimatisierungssystemen oder auch klassischen konventionellen Klimaanlagen, bei denen die Entfeuchtung durch die Unterschreitung des Taupunktes der Luft realisiert wird, erfolgt bei sorptionsgestützten Klimatisierungssystemen eine Trennung der Prozesse Entfeuchtung und Kühlung. Dadurch ist es bei diesen Anlagen möglich, die notwendige Kälteleistung um bis zu 50% zu reduzieren und damit den Energieverbrauch zu senken 9. Die Trennung von Entfeuchtung und Kühlung erfolgt in sorptionsgestützten Systemen, indem in einem ersten Prozessschritt unter Nutzung von Sorptionsvorgängen zunächst die Feuchte der einströmenden Außenluft verringert wird. Im darauf folgenden Schritt erfolgt die Kühlung der Luft, indem die Wärme auf die Abluft übertragen wird. Durch eine zusätzliche direkte Verdunstungskühlung können sowohl die Zulufttemperatur als auch die feuchte auf die gewünschten Zuluftbedingungen angepasst werden. Wird anstelle der Kühlung mittels Wärmeübertragung in die Abluft ein Kühlregister im Luftstrom genutzt, resultiert dies je nach Kälteerzeugungsprozess in höheren Kaltwassertemperaturen bzw. höheren Verdampfertemperaturen, was zu einer höheren Leistungszahl der Kältemaschine führt. Durch die direkte Einstellung der gewünschten Zulufttemperaturen im Prozess kann auf die bei konventionellen Klimatisierungssystemen notwendige Nachheizung der Zuluft verzichtet werden. Um den kontinuierlichen Prozessverlauf von sorptionsgestützen System zu gewährleisten, muss eine Regeneration der verwendeten Sorptionsmittel erfolgen. Sowohl die Ab- als auch die Adsorption sind thermisch reversible Vorgänge. Dies ermöglicht die Desorption der beladenen Sorbentien durch die Zufuhr von Wärme (solare Wärme oder Abwärme). Den größten Teil der für die sorptive Luftentfeuchtung notwendigen Energie stellt die Desorptionswärme dar. Die dafür notwendige Wärme kann auf einem verhältnismäßig niedrigen Temperaturniveau, in Abhängigkeit der jeweiligen Technologie, im Bereich zwischen 50 C und 80 C genutzt werden. Daher bietet sich die Sorptionstechnik für eine direkte Nutzung von Solarwärme als Antriebsenergie für die Luftkonditionierung an. Nach der thermischen Regeneration steht das Sorptionsmaterial anschließend wieder für einen Sorptionsprozess zur Verfügung. 9 Heinrich, Franzke, 1997, Sorptionsgestützte Klimatisierung, C.F.Müller Verlag SOLARTHERMIE 2000plus Seite 44

45 Antriebswärme Gebäude Fortluft (Fo) Abluft (Ab) Außenluft (Au) Zuluft (Zu) gekoppelte Luftkanäle Abbildung Begriffserklärung für offene, sorptionsgestützte Klimatisierung. Bezüglich der Art des Sorptionsprozesses erfolgt eine Unterscheidung in Adsorption an der Oberfläche von Feststoffen, wie Silicagel, Zeolithen oder auch gebundenem Lithiumchlorid, und Absorption in hygroskopischen Salzlösungen, wie Kalziumchlorid (CaCl 2) und Lithiumchlorid (LiCl). Bei Ab- und Adsorptionsvorgängen kommt es immer zur Freisetzung von sog. Bindungswärme: bei der Adsorption an Feststoffen wird neben der Kondensationsenthalpie die Bindungswärme frei, bei Absorption in Flüssigkeiten wird Lösungswärme frei. Um die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Prozesses zu erhöhen, muss diese Wärme abgeführt werden, da es ansonsten außerdem zur Erwärmung des Sorptionsmittels und damit der Zuluft kommt. Für die Kühlung wird bei beiden Fällen die Raumabluft genutzt, indem durch Verdunstungskühlung auf der Abluftseite ein Temperaturgradient zur Kühlung der Zuluft geschaffen wird. Durch die Nutzung von bereits entfeuchteter Raumzuluft für die Klimatisierung ist eine Kombination mit Flächenkühlsystemen möglich, ohne dass die Gefahr der Taupunktunterschreitung an kalten Oberflächen im Raum besteht. Dies bietet somit die Möglichkeit der energieeffizienten Kühlung mit hohen Kaltwasservorlauftemperaturen in den Flächenkühlsystemen. Technologie Prozess Kältemittel Sorptionsmittel Kältemedium Verteilung Rotorsysteme, Festbettsysteme offen, fest Adsorption Wasser Silicagel Zeolith Luft Konditionierte Zuluft offen, fest Absorption Wasser Lithiumchlorid Luft Konditionierte Zuluft Flüssigsorption offen, flüssig Absorption Wasser Lithiumchlorid Luft Konditionierte Zuluft Abbildung Technologiezweig der offenen, sorptionsgestützten Klimatisierung. In Abhängigkeit des grundlegenden Prozesses erfolgt eine Einteilung der klassischen sorptionsgestützten Klimatisierungssysteme in Feststoff basierte Systeme mit Rotoren und Flüssigsorptionssysteme, die in den folgenden Abschnitten näher beschrieben werden. Beide Verfahren ermöglichen einen kontinuierlichen Prozessbetrieb. Entweder ist das Sorptionsmittel in einen Rotor integriert, welcher von der zu entfeuchtenden Luft durchströmt wird, oder die SOLARTHERMIE 2000plus Seite 45

46 Luft strömt durch eine Füllkörperkolonne, die mit der konzentrierten Salzlösung berieselt wird. Die hierfür genutzten Sorptionsmittel sind umweltverträglich und stellen daher auch im direkten Kontakt mit der Atmosphäre kein Gefährdungspotenzial dar. Der größte Teil der bisher installierten SGK-Systeme, etwa drei Viertel der Gesamtanzahl, sind Rotorsysteme, während nur etwa ein Viertel Flüssigsorptionssysteme sind. Abbildung zeigt ein allgemeines Schema des Technologiezweiges der sorptionsgestützten Klimatisierung und Tabelle enthält weitere Informationen zu den Verfahren. Verfahren Stoffsystem (Kältemittel/Sorptionsmittel) Stand der Technik Wasser/Silikagel Feststoffsorption Wasser/Lithiumchlorid (in Zellulosematrix gebunden) Marktverfügbar, verschiedene realisierte Anlagen mit Nutzung von Solarwärme (etwa ¾ der Gesamtzahl an bekannten DEC-Systemen 2009) Flüssigsorption Wasser/Kalziumchlorid Wasser/Lithiumchlorid Marktverfügbar, einige realisierte Pilotanlagen mit Nutzung von Solarwärme Kühlleistung kw > 5 kw Typischer EERSGK >1 >1 Nennluftvolumenstrom typischerweise > 5000 m³/h > 1000 m³/h Typische Antriebstemperaturen C C Genutzte Kollektortypen Systemanbieter Komponentenhersteller für Sorptionsrotoren Flachkollektoren Luftkollektoren Klingenburg (Deutschland) Munters (Schweden) Robatherm GmbH (Deutschland) Siegle + Epple GmbH & Co. KG (Deutschland) Munters (Schweden) Seibu Giken (Japan) Nichias (Japan) DRI (Indien) Klingenburg (Deutschland) ProFlute (Schweden) Rotor Source (USA) NovelAire (USA) Flachkollektoren Menerga (Deutschland) Kathabar Inc. (USA) Ficom (Australien) L-DCS Technology GmbH (Deutschland) Ail Research (USA) AEX American Energy Exchange (USA) Tabelle Verfahren der sorptionsgestützten Klimatisierung (Angaben zu Herstellern ohne Anspruch auf Vollständigkeit) Energetische Betrachtung Für die energetische Betrachtung von thermisch angetriebenen Verfahren zur direkten Luftkonditionierung werden die in Abbildung dargestellten Betrachtungsgrenzen und Begriffe genutzt, sowie die entsprechenden Wärme- und Stoffströme berücksichtigt. Die mit SOLARTHERMIE 2000plus Seite 46

47 einem Lüftungssystem erreichbare Kälteleistung ist durch die Enthalpiedifferenz zwischen Außenluft und Zuluft definiert zu: PKälte V L (hau hzu) mit dem Volumenstrom V, der Dichte trockener Luft L, und der spezifischen Enthalpie h. Für die Berechnung der im Raum erreichten Kühlleistung werden die Raumluftbedingungen genutzt. Damit ergibt sich hierfür die Kühlleistung aus der Enthalpiedifferenz zwischen Abluft und Zuluft: PKühl V L (hab hzu) Ebenso wie bei den thermisch angetriebenen Verfahren zur Kaltwassererzeugung wird auch bei den offenen Verfahren die thermische Leistungszahl EER SGK als das Verhältnis von nutzbarer Kälte zu Antriebswärme für die Prozessbewertung herangezogen. Bei offenen Klimatisierungsverfahren sollten zur Berechnung des thermischen EER SGK der Anlage jedoch nur die Betriebsstunden betrachtet werden, in denen eine Entfeuchtungsleistung erbracht wird. Damit ergeben sich für Feststoff basierte Klimatisierungsanlagen Werte des thermischen EER SGK im Bereich um Werte von 0.6. Neben der rein thermodynamischen Bewertung eines offenen Klimatisierungsverfahrens über den EER SGK ist es notwendig, den gesamten Energiebedarf des Systems zu berücksichtigen. Dazu gehören bei offenen Verfahren vor allem der Elektroenergiebedarf für den Antrieb der Ventilatoren, da im Vergleich zu konventionellen Lüftungsanlagen zusätzliche Komponenten installiert sind, die einen höheren Druckverlust und damit einen höheren Energiebedarf zur Luftförderung verursachen. Rotorbasierte Systeme Sorptionsrotoren für SGK-Systeme beinhalten das Sorptionsmittel in der Trägermatrix des Rotors, der von der zu entfeuchtenden Luft durchströmt wird. In Abbildung sind zwei Beispiele für Rotoren dargestellt. Abbildung Rotor mit Lithiumchlorid in Zellulosematrix (Quelle linkes Bild: Klingenburg GmbH), Rotoren mit Silikagel (Quelle rechtes Bild: Seibu-Giken DST) SOLARTHERMIE 2000plus Seite 47

48 Befeuchtung Regenerationswärme Gebäude Fortluft Abluft Außenluft Zuluft Entfeuchtung WRG heizen Abbildung Prinzipschaltbild eines Systems zur solar unterstützten sorptionsgestützten Klimatisierung (SGK) mit Sorptionsrotor und Rotor zur Wärmerückgewinnung (WRG). Standardzyklus mit Verdunstungskühlung in der Zuluft und indirekter Verdunstungskühlung (im Abluftstrang) Abbildung zeigt schematisch ein System zur sorptionsgestützten Klimatisierung, bei dem Solarwärme für die Regeneration des Sorptionsrades genutzt wird. Im Folgenden wird die Funktionsweise eines SGK-Systems erläutert; die Bezeichnung der einzelnen Prozessschritte entspricht den Angaben in Abbildung 3.2.4: 1 2 sorptive Entfeuchtung der Zuluft; der Prozess ist exotherm und die Luft wird durch die Adsorptionswärme, welche in der Matrix frei wird, sowie durch Schleppwärme aus dem Abluftstrang erwärmt 2 3 Vorkühlung der Zuluft im Gegenstrom zur Gebäudeabluft im Wärmerückgewinnungsrotor 3 4 direkte Verdunstungskühlung der Zuluft mit gleichzeitiger Erhöhung der Zuluftfeuchte 4 5 optionale Heizung für die zusätzliche Erwärmung der Zuluft im Bedarfsfall 5 6 geringer Temperaturanstieg, bedingt durch den Ventilator 6 7 Anstieg von Temperatur und Feuchte der Zuluft durch interne Lasten im Gebäude 7 8 Kühlung der Gebäudeabluft durch direkte Verdunstungskühlung, möglichst bis nahe an die Sättigung 8 9 Vorheizung der Abluft im Gegenstrom zur Zuluft im Wärmerückgewinnungsrotor 9 10 Zufuhr von Regenerationswärme an die Abluft aus z. B. einem Solarsystem Desorption (Austreiben) des in den Poren des Sorptionsmaterials gebundenen Wassers durch die heiße Abluft mit dem Ventilator wird die Abluft an die Umgebung abgegeben (jetzt Fortluft). Der Prozessverlauf in einem SGK-System im Temperatur-Feuchte-Diagramm ist in der Abbildung dargestellt. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 48

49 Temperatur [ C] Planungsleitfaden Solare Kühlung ZU AB Absolute Feuchte [g/kg] AU FO 11,12 Abbildung Temperatur-Feuchte-Diagramm des Prozessverlaufs in einem SGK-System für folgende Werte: Außenluft 32 C, 40% rel. Feuchte; Zuluft 20 C, 60% rel. Feuchte. Ein Spezifikum von Rotor-basierten Systemen stellt die Verbindung der beiden Luftströme über die rotierenden Bauteile dar. Mit dem Sorptionsrotor sind die beiden Prozesse der Adsorption und Desorption in einem Element gekoppelt. Während das Rad langsam gedreht wird, strömt die zu entfeuchtende Luft durch die eine Hälfte des Rades. Die andere Hälfte wird gleichzeitig thermisch regeneriert. Eine weitere Verbindung der beiden Luftströme besteht durch den Wärmeübertragerrotor. Bedingt durch den Drehvorgang der beiden Rotoren kommt es auf Grund von nicht auszuschließenden Undichtigkeiten zu einem geringen Stoffübertrag zwischen beiden Seiten. Dadurch können Gerüche oder andere in der Abluft enthaltene Bestandteile auf die Zuluftseite kommen. Im Bereich allgemeiner Gebäudeklimatisierungen stellt dies im Normalfall kein Problem dar, da die Belastungen der Abluft meist gering sind. Bei Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen an die Zuluftqualität, wie beispielsweise in medizinischen Bereichen, muss dieser Punkt berücksichtig werden. Ein weiterer Nachteil der Rotoren ist die thermische Verbindung von Zu- und Abluftstrom, was zu einer Verringerung der theoretisch erreichbaren Kälteleistung führt. Als Vorteile der Technologie stehen demgegenüber aber die verhältnismäßig einfache Systemkonstruktion und der kontinuierliche Betrieb. Flüssigsorptionssysteme In Flüssigsorptionssystemen werden die hygroskopischen Eigenschaften von konzentrierten Salzlösungen zur Entfeuchtung der Luft genutzt. Dazu ist es notwendig, die Zuluft in Kontakt mit der Sole zu bringen. Zur Erläuterung des Verfahrensprinzips dienen das Schema in Abbildung sowie Die feuchte Außenluft durchströmt hierbei eine Füllkörperkolonne, über der die konzentrierte Salzlösung verrieselt wird. Durch die große Oberfläche der Füllkörperschüttung bietet sich eine große Kontaktfläche zwischen der Luft und der Salzlösung, womit eine effektive Entfeuchtung der Luft gewährleistet wird. Durch die Wasseraufnahme (Absorption) in der Salzlösung wird diese zunehmend verdünnt und SOLARTHERMIE 2000plus Seite 49

50 gleichzeitig Wärme freigesetzt. Die Salzlösung wird so lange im Kreislauf gefahren, bis eine bestimmte Konzentration unterschritten wird, dann erfolgt ein Austausch durch konzentrierte Lösung. Mittels eines Lösungswärmeübertragers erfolgt die Kühlung der Sole, um die übermäßige Aufwärmung und damit einen verstärkten Wärmeeintrag in die Zuluft zu vermeiden. Im darauffolgenden Prozessschritt wird die Zuluft durch indirekte Verdunstungskühlung gekühlt, in dem die Abluft befeuchtet wird und sich dadurch soweit abkühlt, dass sie die Wärme aus der Zuluft aufnimmt. Während die Zuluft nun dem Gebäude zugeführt werden kann, wird die befeuchtete warme Abluft an die Umgebung abgegeben. Die Regeneration der verdünnten Salzlösung erfolgt durch Zufuhr von Wärme bei C im Regenerator. Ein Teil der benötigten Wärme wird über den Lösungswärmeübertrager aus der verdünnten Lösung zugeführt (Wärmerückgewinnung). Damit wird das aufgenommene Wasser ausgetrieben und die Lösung wieder aufkonzentriert. Durch die Nutzung von Speichern für die konzentrierte und verdünnte Lösung wird eine zeitlich unabhängige Prozessführung ermöglicht. Die Prozesse von Entfeuchtung und Regeneration sind damit zeitlich nicht mehr aneinander gebunden und können entsprechend dem Bedarf an Entfeuchtung bzw. dem Angebot an Wärme für die Regeneration betrieben werden. Durch das verhältnismäßig geringe Temperaturniveau für die Regeneration bietet sich die Nutzung von Solarwärme, Abwärme oder auch Fernwärme für den Systembetrieb an. Abbildung Schematische Darstellung der Klimatisierung mit flüssiger Salzlösung. Quelle: BINE Projektinfo 08/2002 Klimatisierung mit wässriger Salzlösung. Regenerator Regenerationsluft Q H Antriebswärme LiCl/water Konzentrierte Lösung Speicher Absorber Q M Wärmeabgabe Prozessluft schwache Lösung Abbildung Schematische Darstellung der Einbindung getrennter Speicher für die konzentrierte Salzlösung (reich an LiCl) und für die schwache Lösung. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 50

51 Wesentliche Vorteile der Flüssigsorptionssysteme bestehen in der höheren erreichbaren Effizienz durch die Solekühlung im Vergleich zu Rotorsystemen und der Möglichkeit der Energiespeicherung im Solespeicher. Auf Grund der bakteriziden Wirkung der Salzlösungen eignet sich die Technologie auch für den Einsatz in Bereichen mit hohen hygienischen Anforderungen. Abbildung Pilotanlage zur solarthermisch betriebenen sorptionsgestützten Klimatisierung mit Flüssigsorption im Solar-Info-Center in Freiburg. Mit einem Nennluftvolumenstrom von 1500 m³/h wurde 310 m² Bürofläche klimatisiert. Die Kollektorfläche betrug 17 m². Das Klimagerät enthielt Solespeicher für die getrennte Speicherung der konzentrierten und schwachen Lösung. Im Bild rechts: Klimagerät (linke Seite), Solespeicher (rechte Seite, Vordergrund), Solarpufferspeicher (rechte Seite, Hintergrund). Die Anlage lief erfolgreich seit 2004, wurde jedoch infolge veränderter Nutzung des Gebäudes in 2011 deinstalliert. Bildquelle: Fraunhofer ISE Lösungen für unterschiedliche Klimazonen Die modulare Bauweise der Rotor basierten Systeme ermöglicht verschiedene Schaltungsvarianten, womit eine Anpassung auf den jeweiligen Einsatzbereich realisiert werden kann. Insbesondere bieten sich hierbei Systemvarianten sowohl für warme als auch für extrem feucht-warme Klimata (z. B. Tropen) durch spezielle Anpassungen bzw. Erweiterungen der Standardvariante an. Für den Einsatz im warmen Klima ist beispielsweise die zusätzliche Integration einer Nachkühlung mittels eines Kaltwasserkühlregisters sinnvoll. Das Heizregister im Zuluftstrang kann optional nachgerüstet werden, falls trotz des warmen Klimas ein temporärer Heizbedarf besteht. Ein großer Teil der Entfeuchtung wird dann über den Sorptionsrotor realisiert. Aufgrund der begrenzten Entfeuchtungskapazität des Sorptionsmittels im Rotor ist nach der Abkühlung der Zuluft durch Wärmerückgewinnung ein zusätzlicher Prozessschritt zur Kühlung und gleichzeitigen Entfeuchtung durch Taupunktunterschreitung notwendig. Damit lassen sich auch bei hohen Außenluftfeuchten die angestrebten Zuluftbedingungen erreichen. Für die Anwendung von SGK-Systemen in tropisch feucht-warmem Klima empfiehlt sich eine Verschaltungsvariante, bei der als Erweiterung zum Standardsystem zwei zusätzliche Kühlregister sowohl zur Vor- als auch zur Nachkühlung genutzt werden. (Abbildung 3.2.9). Mit dem ersten Kühlregister erfolgt im ersten Prozessschritt die Entfeuchtung und Abkühlung der feucht-warmen Außenluft. Die dafür notwendige Kaltwassertemperatur muss nur leicht unter der Außentemperatur liegen, um eine Taupunktunterschreitung zu erreichen. Die wesentliche Entfeuchtungsleistung wird im zweiten Prozessschritt durch den Sorptionsrotor er- SOLARTHERMIE 2000plus Seite 51

52 reicht. Das dem Wärmeübertragerrad nachgeschaltete Kühlregister muss damit nur noch die Nachkühlung auf die gewünschte Zulufttemperatur sicherstellen. Durch die Aufteilung der Entfeuchtung auf die zwei Prozessschritte im ersten Kühlregister und im Sorptionsrad kann im Kühlregister mit einer relativ hohen Kaltwassertemperatur gearbeitet werden. Dies führt zur Erhöhung der Energieeffizienz des Kaltwassererzeugers. Befeuchtung Regenerationswärme (solar) Gebäude Fortuft Abluft Außenluft Zuluft Kaltwasser Entfeuchtung WRG Kaltwasser Abbildung Verschaltungsvariante eines SGK-Systems für extrem feucht-warmes Klima durch Kombination des Standard-SGK-Verfahrens mit zwei zusätzlichen Kühlregistern. Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Energieeffizienz einer SGK-Anlage mit zusätzlichem Kühlregister besteht in der Nutzung der Abwärme des Kaltwassererzeugers für die Vorwärmung der Desorptionsluft. Entweder kann damit ganz auf einen Rückkühler verzichtet werden oder dieser kann entscheidend kleiner ausfallen. Eine solche Anwendung wurde an der Universität Palermo realisiert, bei der eine SGK-Anlage für die Zuluftkonditionierung mit einer Flächenkühlung der klimatisierten Räume kombiniert ist. Das Kaltwasser für die Flächenkühlung als auch den Vor- sowie den Nachkühler wird über eine elektrische Kompressionskältemaschine erzeugt, deren Rückkühlwärme zum Teil für die Vorwärmung der Desorptionsluft genutzt wird. Äquivalent zu der oben beschriebenen Systemvariante für extrem feucht-warmes Klima erfolgt auch hier eine Vorentfeuchtung mit Kaltwasser auf relativ hohem Temperaturniveau. Auch für die Nachkühlung ist keine sehr geringe Kaltwassertemperatur notwendig, da keine Entfeuchtung mehr erreicht werden muss. Ein wesentlicher Vorteil dieses Systems besteht außerdem darin, dass durch die Zufuhr von entfeuchteter Zuluft in die klimatisierten Räume keine Gefahr von Taupunktunterschreitung und damit Kondensation an der Kühldecke (Flächenkühlung) besteht. Um hier explizit Nutzersicherheit zu gewährleisten, wird zur Regelung der Durchströmung der Kühldecke die zusätzliche Integration von Taupunktsensoren empfohlen. Bei den Systemvarianten für warme und feucht-warme Klimata wird auf die beim Standardsystem übliche Nachkühlung durch adiabate Befeuchtung im Zuluftstrang verzichtet. Das ECOS-Klimatisierungskonzept Im Rahmen eines vom BMWi geförderten Forschungsprojektes erfolgte in den vergangenen Jahren am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) gemeinsam mit der Robert Bosch GmbH die Entwicklung eines sorptiven Lüftungsgerätes für die Anwendung im Wohnbereich und kleineren Büros, bei denen Luftvolumenströme im Bereich von bis zu 500 m³/h benötigt werden. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 52

53 Temperatur [ C] Planungsleitfaden Solare Kühlung Außenluft Abluft Fortluft Zuluft activ aktiv Abbildung ECOS-Gerätekonzept. Der obere Wärmeübertrager befindet sich in der Adsorptionsphase (Zuluftkonditionierung); der untere Wärmeübertrager wird desorbiert (Zufuhr von Regenerationswärme über den aktiven Wärmeübertrager). Das Prinzip des sorptiven Klimatisierungskonzeptes ECOS (Evaporatively Cooled Sorptive Heat Exchanger) ist in Abbildung (Gerätekonzept) und Abbildung (h-x-diagramm) dargestellt. Die beiden Hauptkomponenten sind zwei Luft-Luft-Wärmeübertrager, bei denen jeweils die Zuluftseite mit einer sorptiven Schicht versehen ist. Zur Zuluftkonditionierung arbeiten die beiden Wärmeübertrager wechselseitig zyklisch, das heißt, es ist immer nur einer der beiden Wärmeübertrager für die Prozessluftkonditionierung in Betrieb, während der andere thermisch regeneriert wird. Die einzelnen Schritte des Prozesses werden nachfolgend anhand der Zustandsänderungen im h-x-diagramm erläutert. Die Darstellung des Prozesses im Diagramm beruht auf Messdaten an einem Wärmeübertrager-Prototyp des Fraunhofer ISE ZU AU 1 AB FO Absolute Feuchte [g/kg] Abbildung Zustandsänderungen des ECOS-Prozesses, gemittelt über die einzelnen Prozessphasen (Messdaten an einem Wärmeübertrager-Prototyp). SOLARTHERMIE 2000plus Seite 53

54 1 2 Zustandsänderung Außenluft Zuluft Die ins Lüftungsgerät angesaugte Außenluft AU (32 C, 40% r.f.) gelangt in die sorptiv beschichteten Kanäle des Wärmeübertragers. Die Außenluft wird durch Adsorption entfeuchtet und infolge der Wärmeübertragung an die kühlere Luft auf der Abluftseite des Wärmeübertragers zugleich gekühlt. Gemäß h-x-diagramm stellt sich durch diese gekoppelte Entfeuchtung und Kühlung am Austritt des Wärmeübertragers ein Zuluftzustand ZU von 24,5 C und 41% relative Feuchte ein. 3 4 Zustandsänderung Abluft Fortluft Die Abluft aus dem Raum (26 C, 60% r.f.) wird zur Verdunstungskühlung genutzt. Beim Eintritt der Abluft in den Wärmeübertrager wird Wasser über die Abluftkanäle versprüht. Dieses Wasser verdunstet einerseits direkt in der Abluft und führt somit zu einer Temperaturabsenkung, andererseits benetzt es die Wärmeübertragerplatten bis weit in die Abluftkanäle hinein. Durch den Wärmedurchgang von der sorptiven Schicht auf der Zuluftseite zur feuchten Schicht auf der Abluftseite kommt es zur permanenten Verdunstung von Wasser. Die somit über die gesamte Lauflänge gekühlte Abluft kann aufgrund des Temperaturunterschieds zur Zuluftseite per Wärmedurchgang die dort freigesetzte Adsorptionswärme aufnehmen und zusätzlich die Zuluft kühlen (Zustandsänderung 1 2). Die Ausdehnung des Prozesses der Verdunstungskühlung auf die gesamte Fläche des Wärmeübertragers führt somit zu einer Erhöhung der Kälteleistung auf der Zuluftseite (Verstärkung des Wärmeentzugs der Außenluft). Die Fortluft verlässt schließlich mit etwa 24,5 C und einer relativen Feuchte von annähernd 100% das Lüftungsgerät und wird in die Umgebung abgegeben. Dieser beschriebene Prozess der gleichzeitigen Verringerung von Temperatur und Feuchte der Außenluft ist beendet, wenn die Sorptionsschicht auf der Zuluftseite des Wärmeübertragers weitgehend mit Wasser gesättigt ist. Dann sorgt eine Regelung dafür, dass der Außenluft- und der Abluftvolumenstrom auf den zweiten, baugleichen Wärmeübertrager (II) umgeleitet werden und nun in diesem der zuvor beschriebene Prozess abläuft. Der Wärmeübertrager (I) wird nun regeneriert. 1 3 Regeneration des Wärmeübertragers Im Prozess der Regeneration des Wärmeübertragers (I) erfolgt die Trocknung der teilgesättigten Sorptionsschicht. Dazu wird Außenluft AU angesaugt und auf eine zur Desorption erforderliche Temperatur, hier auf 65 C erhitzt (Zustandsänderung 1 2 ). Die dazu benötigte Wärme kann zum Beispiel aus einem Solarkollektor, aus Abwärme oder Fernwärme stammen. Durchströmt die heiße, trockene Luft nun die Sorptionskanäle des Wärmeübertragers wird der Sorptionsschicht das Wasser entzogen. Dadurch wird die Luft auf etwa 47 C abgekühlt und um 4,3 g/kg befeuchtet (Zustand 3 FO) und schließlich in die Umgebung abgeführt. Ist der Wärmeübertrager komplett regeneriert, wird dieser noch vor der erneuten Inbetriebnahme mit Außenluft abgekühlt, um anschließend erneut für die Aufbereitung der Außenluft zur Verfügung zu stehen. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 54

55 4 Auswahl der geeigneten Grundkonfiguration Aus den Inhalten der vorangegangenen Kapitel zeigt sich, dass eine Vielzahl von Möglichkeiten zum Aufbau einer solarthermischen Kühlung und Klimatisierung besteht. Für den Planer stellt sich daher zunächst die Frage nach einer grundsätzlichen Eignung des Objektes im Planungsprozess für solare Kühlung und einer Vorauswahl von Möglichkeiten, die überhaupt in Betracht kommen. Um diesen Vorauswahlprozess zu erleichtern, wurde beispielsweise im Task 38 Solar Air- Conditioning and Refrigeration im Solar Heating & Cooling Programme der Internationalen Energieagentur (kurz: IEA-SHC-Task 38; eine Checklist-Methode entwickelt, in der Randbedingungen für einen aussichtsreichen Betrieb einer solarthermischen Kühlung abgefragt und bewertet werden. Als Ergebnis wird eine Einschätzung zur Machbarkeit des Vorhabens gegeben. Die Checkliste steht zur kostenfreien online- Benutzung zur Verfügung 10 unter und wurde vom französischen Ingenieurbüro Tecsol innerhalb des Task 38 erstellt. Darüber hinaus bieten auch Anbieter von Systemen und Komponenten der solaren Kühlung planungsbegleitende Maßnahmen an. Abbildung 4.1 Ausschnitt aus der Checkliste zur solaren Kühlung, die online bearbeitet werden kann. Screenshot aus 10 Stand: Januar 2013 SOLARTHERMIE 2000plus Seite 55

56 Gebäude Verteil-Medium Technologie START Kühllastberechnung (Gebäudeparameter: Materialien, Wandaufbau, Geometrie, Orientierung, interne Lasten, meteorologische Bedingungen) Reines Kaltwasser- System A B Kühl - / Heizlast, hygienischer Luftwechsel Installation einer zentralen Lüftungsanlage machbar, sinnvoll und erwünscht? ja nein Zuluftanlage + Kaltwassersystem Klima moderat und extrem Thermisch angetrie-bene Kältemaschine, Kaltwassernetz 6 C - 9 C Klima moderat und extrem Zuluftanlage, thermisch angetriebene Kältemaschine, Kaltwassernetz 6 C - 9 C Gebäude geeignet für Zuluft - / Abluftanlage (ausreichende Dichtigkeit)? nein ja moderat extrem C Klima D moderat Klima extrem Kann die Kühllast allein über hygienischen Luftwechsel gedeckt werden? nein Zu- / Abluftanlage + Kaltwassersystem DEC System, Standard Konfiguration, Kaltwassernetz 12 C - 15 C Konv. Zu - / Abluftanlage, thermisch angetriebene Kältemaschine, Kaltwassernetz 6 C - 9 C DEC System, Standard Konfiguration Konv. Zu -/Abluftanlage, thermisch angetriebene Kältemaschine, 6 C - 9 C ja DEC System, spezielle Konfiguration für feuchte Klimata, Kaltwassernetz 12 C - 15 C DEC System, spezielle Konfiguration für feuchte Klimata Reines Luftsystem: Zu - / Abluftanlage Abbildung 4.2 Für die ersten Schritte zur Auswahl einer geeigneten Technologie für solarthermische Klimatisierung kann ein allgemeines Entscheidungsschema verwendet werden. Grundannahme für dieses Schema ist, dass latente und sensible Kühllasten zu decken sind. Ausgehend von gebäudetechnischen Fragen wird das Verteil-Medium (vom reinen Kaltwassersystem über Mischsysteme bis zum reinen luftgestützten System) ausgewählt. In der Darstellung wird zwischen vier unterschiedlichen resultierenden Technologien unterschieden (A bis D). Je nach klimatischer Voraussetzungen können noch weitere Unterteilungen zur Vorauswahl getroffen werden, die auf der Entscheidung basieren, ob die Luftentfeuchtung in einer solarthermisch gestützten offenen Sorptionstechnik (DEC-System) oder in konventioneller Weise durch Taupunktunterschreitung vorgenommen wird. Nicht betrachtet werden in diesem vereinfachten Ansatz - Notwendigkeit eines Backup-Systems für die sommerliche Klimatisierung, d.h., die Frage der zulässigen Flexibilität in Überschreitung der Soll-Raumluftzustände; - Wärmeversorgungstechnik zur Deckung des Wärmebedarfs im Winter; - die weitere Auswahl der Technik (Ab- oder Adsorption, Kollektorart, Fest- oder Flüssigsorption); - wirtschaftliche Aspekte. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 56

57 Bereits im Task 25 im SHC Programm der IEA Solar Assisted Air-Conditioning in Buildings, einem Vorläuferprojekt der Task 38, wurde ein vereinfachtes Schema zur Vorauswahl der grundlegenden Technologie für eine solarthermisch unterstützte Klimatisierung erstellt (Abbildung 4.2). Darin wird davon ausgegangen, dass zunächst auf der Gebäudeebene (nach Optimierung der passiven Klimatisierungsmöglichkeiten) eine Bestimmung der latenten und sensiblen Kühllasten sowie die Festlegung des erforderlichen hygienischen Luftwechsels erfolgt sind. Eine weitere Annahme ist, dass latente Kühllasten zu decken sind, d.h., Maßnahmen zur Luftentfeuchtung getroffen werden müssen. Es folgen dann Entscheidungen, ob die Installation eines Lüftungssystems generell erwünscht und/oder technisch durchführbar ist, ob die Gebäudedichtigkeit den Einbau eines vollständigen Lüftungssystems (Zu- und Abluft) ermöglicht, und ob die hygienische Luftwechselrate eine vollständige Behandlung der Kühllasten erlaubt. Die Beantwortung führt zu unterschiedlichen möglichen Anlagenkonfigurationen, zu denen im Folgenden Beispiele gegeben werden. Reines Kaltwassersystem Aus gebäudetechnischen oder anderen Gründen kann kein Lüftungssystem installiert werden. Es wird daher auf ein zentrales Kaltwassersystem zurückgegriffen. Die Kältemaschine ist thermisch angetrieben, um den Einsatz von Solarwärme zu ermöglichen. Eventuell ist ein Kältebackup mit elektrisch betriebener Kompressionskältemaschine erforderlich. Abbildung 4.3 zeigt eine mögliche Konfiguration. Um die Raumluftentfeuchtung (Umluftsystem) zu gewährleisten, muss die Kaltwassertemperatur ausreichend niedrig sein (< 9 C). Als Kältemaschine kann Ab- oder Adsorptionstechnik eingesetzt werden; der Kollektor ist darauf abzustimmen. Es kommt mindestens ein hochwertiger Flachkollektor zum Einsatz. Das Solarsystem sollte auch zur Heizungsunterstützung hydraulisch eingebunden sein. Kollektor Speicher Backup Rückkühlung AKM 6-9 C kühlen heizen Abbildung 4.3 Mögliches Schema für eine ausschließlich kaltwasserbasierte Raumkühlung und klimatisierung. Sensible und latente Kühllasten werden über Umluftgeräte abgeführt. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 57

58 Zuluftanlage + Kaltwassersystem Ist der Einbau einer Zuluftanlage möglich, aber ein Abluftsystem kann aus gebäudetechnischen Gründen nicht eingebaut werden (z.b. nicht ausreichende Dichtigkeit des Gebäudes), kann die Zuluftkühlung und Entfeuchtung ebenfalls über ein thermisch angetriebenes Kaltwassersystem bewerkstelligt werden. Kaltwasser kühlt und entfeuchtet dabei die Zuluft; eine weitere Abnahme der sensiblen Kühllasten kann über Kühldecken mit hoher Kaltwassertemperatur erfolgen. Der Aufbau des Kaltwassersystems entspricht dabei im Wesentlichen der Konfiguration A. Bei der Taupunktunterschreitung zur Zuluftentfeuchtung wird häufig die Zulufttemperatur zu weit abgesenkt und muss deshalb nacherwärmt werden. Dieser zusätzliche Energieaufwand kann vermieden werden, indem zur Nacherwärmung Wasser aus dem Rückkühlkreis verwendet wird, das in das Heizregister eingespeist wird. Dadurch wird gleichzeitig der Rückkühlbedarf zur Kälteerzeugung herabgesenkt. Abbildung 4.4 zeigt das Schema dieser Konfiguration. Die graue gestrichelte Linie symbolisiert die Abwärmenutzung des Rückkühlkreises zur Nacherwärmung der Zuluft. Kollektor Speicher Backup Rückkühlung AKM > 15 C kühlen Zuluft kühlen heizen Abbildung 4.4 Mögliches Schema für eine Zuluftkonditionierung mit solarthermisch angetriebener Kaltwassererzeugung. Reicht der Luftwechsel nicht für eine vollständige Deckung der sensiblen Kühllasten aus, kann zusätzlich der Einbau von Flächenkühlung mit hohen Kaltwassertemperaturen erfolgen. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 58

59 Zu-/Abluftanlage + Kaltwassersystem In einem Gebäude mit vollständigem Lüftungssystem, d.h. mit Zu- und Abluftsystem, kann sorptionsgestützte Klimatisierung angewendet werden. Dazu ist der Einbau einer solarthermisch gestützten Luftentfeuchtung und kühlung mit Feststoffsorption oder Flüssigsorption möglich. Abbildung 4.5 zeigt ein solches Schema für einen Standard-DEC-Prozess mit Sorptionsrotor. Da gleichzeitig in diesem Entscheidungspfad angenommen wird, dass die sensiblen Kühllasten nicht ausreichend über den vorhandenen Luftvolumenstrom abgeführt werden (z.b. infolge hoher interner sensibler Wärmelasten), ist zusätzlich ein konventionelles Kompressionskältesystem vorhanden, das in Verbindung mit Flächenkühlung (Kühldecken) die restliche sensible Kühlung übernimmt. In dieser Anwendung kann der Verdampfer auf hoher Temperatur betrieben werden, da die latenten Lasten bereits über das DEC-System behandelt werden. Eine solche Trennung zwischen latenten und sensiblen Lasten ermöglicht einen effizienten Betrieb des Kompressionskältegerätes. Die Regeneration der Sorptionseinheit kann prinzipiell auch über Luftkollektoren erfolgen. Kollektor Speicher el. Kompressionskältetechnik Regenerationswärme Befeuchtung > 15 C Fortuft Abluft Lasten Außenluft Zuluft Entfeuchtung Wärmerückgewinnung heizen Abbildung 4.5 Mögliches Schema für einen Standard-DEC-Prozess (hier mit Sorptionsrotor) und einer zusätzlichen Behandlung sensibler Kühllasten durch konventionelle Kompressionskältetechnik, die günstigerweise bei hohen Verdampfertemperaturen betrieben werden kann (z.b. in Anwendung mit Kühldecken). Eine andere Möglichkeit bietet der Aufbau eines konventionellen Lüftungssystems mit Wärmerückgewinnung und Kühlregister zur Zuluftentfeuchtung und kühlung ohne sorptiv gestützte Lüftungstechnik. Eine solche Konfiguration ist in Abbildung 4.6 dargestellt. Der solarthermische Ansatz wird dann in einer thermisch angetriebenen Kaltwassertechnik verwirklicht. Hier empfiehlt sich wieder, eine eventuell erforderliche Nacherwärmung der Zuluft während des Kühlprozesses durch Nutzung der Wärme im Rückkühlkreis der Kältemaschine durchzuführen. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 59

60 Kollektor Speicher Backup Rückkühlung AKM > 15 C kühlen Zuluft kühlen heizen Abbildung 4.6 Wenn ein konventionelles Zu-/Abluftsystem mit Wärmerückgewinnung eingesetzt wird, kann die Zuluft über eine solarthermisch betriebene Kälteversorgung gekühlt und entfeuchtet werden. Die verbleibenden sensiblen Kühllasten werden über Flächenkühlung abgeführt. In sehr warmen und feuchten Klimata reicht die Standard-DEC-Konfiguration zur Entfeuchtung nicht aus. Der Prozess kann unterstützt werden durch eine konventionelle Kältetechnik, die eine Vorentfeuchtung und Nachkühlung der Zuluft vornimmt. Abbildung 4.7 zeigt das Schema. Vorteil dieser Anwendung ist, dass mit dem konventionellen Kältesystem lediglich eine Taupunktunterschreitung der warmen Außenluft erfolgt, also bei hohen Verdampfertemperaturen. Auch für die weitere sensible Kühlung können raumseitig Systeme mit hohen Kaltwassertemperaturen eingesetzt werden. Somit ist auch hier eine Effizienzsteigerung der konventionellen Technik möglich. Regenerationswärme (solar) Fortuft Befeuchtung Abluft > 15 C Lasten Außenluft Zuluft Kaltwasser Entfeuchtung WRG Kaltwasser el. Kompressions- KM Abbildung 4.7 Verschaltung für feucht-warme Klimaregionen. Die Hauptaufgabe der Entfeuchtung liegt beim Sorptionsprozess; eine Kompressionskältemaschine übernimmt zudem auf einem hohen Kälteträgerniveau die Vorentfeuchtung und Nachkühlung der Zuluft. Die verbleibenden sensiblen Kühllasten werden über Flächenkühlung abgeführt. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 60

61 Reines Luftsystem: Zu- und Abluftanlage In diesem Entscheidungspfad können alle auftretenden Lasten allein über das Luftsystem abgeführt werden; der aus hygienischem Luftwechsel erforderliche Luftvolumenstrom ist ausreichend hoch zur Abfuhr latenter und sensibler Wärmelasten aus dem Gebäude. Damit entfällt die Notwendigkeit zusätzlicher raumtechnischer Installation wie Flächenkühlung usw. Die Anlagenschemata möglicher Installationen entsprechen daher den Abbildungen 4.5 bis 4.7 mit Ausnahme der dort angedeuteten Kaltwasserverteilung in die Räume. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 61

62 5 Systemtechnische Aspekte 5.1 Betriebstemperaturen, Temperaturhub und Kollektorart In der solarthermisch gestützten Kaltwassererzeugung haben die Randbedingungen des Anlagenbetriebs sowie die eingesetzte Kältetechnik einen determinierenden Einfluss auf die aufzubringende Kollektortemperatur und damit auf den Kollektortyp. Diese Randbedingungen sind z.b.: Art der Kühlanwendung (Flächenkühlung, Umluftkühlung, Prozesskühlung) und damit Kälteträgertemperatur; gewünschte oder mögliche Art der Rückkühlung (nass, trocken); eingesetzte thermisch angetriebene Kältetechnik (thermische Leistungszahl und Prozessqualität): Standort (Außentemperaturen). In Kapitel 2.1 wurde bereits auf den Zusammenhang zwischen dem Carnot schen Grenzwert als erreichbare thermische Leistungszahl und den Prozesstemperaturen (Generator-, Verdampfer-, Kondensatortemperatur) hingewiesen sowie die typischerweise erreichte Prozessqualität von ca. 0.3 erwähnt. Grundsätzlich gilt Je höher die thermische Leistungszahl EER TKM, desto geringer wird die benötigte Wärmeleistung für den Antrieb des Prozesses und desto geringer wird der Aufwand für die Rückkühlung. Ein hoher EER TKM kann daher die Gesamtinvestition und den Elektroenergieaufwand für die Rückkühlung beträchtlich verringern. Allgemein reduziert sich im gesamten hydraulischen System der Aufwand durch kleinere erforderliche Leitungsquerschnitte und Pumpenleistungen. Allerdings muss mit zusätzlichen Kosten durch den höheren Anlagendruck im Heißwasserkreis bei Antriebstemperaturen > 100 C gerechnet werden; Andererseits impliziert eine steigende Leistungszahl EER TKM (bei konstant bleibender Prozessqualität) steigende Antriebstemperaturen und damit höhere Anforderungen an die Kollektortechnik. Liegen die erforderlichen Antriebstemperaturen bereits auf dem Niveau konzentrierender Kollektortechnik, sind diese Anlagenkonzepte nicht mehr an allen Standorten realisierbar; Eine erhöhte Prozessqualität (bessere Annäherung an das thermodynamische Limit) verringert bei konstantem thermischen Leistungsverhältnis wieder die erforderliche Antriebstemperatur und erhöht damit die Einsetzbarkeit der Technik. Eine erhöhte Prozessqualität ist in erster Linie durch maschineninterne Verbesserungen zu erreichen (optimierte Wärmeübertragungen, bessere Wärmerückgewinnungsprozesse usw.). Abbildung zeigt den Zusammenhang zwischen Antriebstemperatur und dem benötigten Temperaturhub, der sich im Wesentlichen aus den Anforderungen des Kühlprozesses und aus der Art der Rückkühlung ergibt. Ohne Bezug auf konkrete thermisch angetriebene Kältemaschinen sind die Antriebstemperaturen in der Abbildung eine Funktion der thermischen Leistungszahl, die über die Prozessqualität mit dem Carnot schen Grenzwert verknüpft ist, und des Temperaturhubs. Der steigende Temperaturhub resultiert aus den Anwendungsgebieten, die am unteren Rand der Abbildung eingetragen sind. Es sind für zwei Prozessqualitäten (0.3 bzw. 0.4) jeweils die Antriebstemperaturen für EER TKM -Werte von 0.7 (häufiger Nennwert in einstufigen TKM) und 1.2 (entspricht etwa einer zweistufigen AbKM) dargestellt. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 62

63 Antriebstemperatur T hoch [ C ] Antriebstemperatur T hoch [ C ] Planungsleitfaden Solare Kühlung Prozessqualität EER th / Grenz = 0.3 EER_th = 0.7 EER TKM EER_th = 1.2 EER TKM LFK VRK FK Temperaturhub T mittel - T tief [ K ] Prozessqualität EER th / Grenz = 0.4 EER_th = 0.7 EER TKM EER_th = 1.2 EER TKM LFK VRK FK Temperaturhub T mittel - T tief [ K ] Low-Ex System, z.b. Flächenkühlung Umluftkühlung, RK: nass Umluftkühlung, RK: trocken Hoher T Hub, z.b. Eisspeicher, RK: trocken Abbildung Zusammenhang zwischen erforderlicher Antriebstemperatur und Temperaturhub. Berechnet aus der Carnot-Effizienz und einer angenommenen Prozessqualität von 0.3 (Bild oben) und 0.4 (Bild unten). Die Antriebstemperaturen sind jeweils für zwei thermische Leistungszahlen (0.7 und 1.2) berechnet, wobei der Wert 1.2 einen zweistufigen Absorptionsprozess darstellt. Den Datenpunkten liegen folgende Kaltwasser- und Kühlwassertemperaturbereiche zugrunde: Kaltwasser 14 bis 20 C (Low-Ex); 6 bis 12 C (Umluft); -10 bis 0 C (Eisspeicher), Kühlwasser 27bis 32 C (Low-Ex, nasse Rückkühlung); 35 bis 46 C (trockene Rückkühlung). RK: FK: VRK: LFK: Rückkühlung Flachkollektor Vakuumröhrenkollektor linear fokussierender Kollektor (Parabolspiegel, Fresnelspiegel). SOLARTHERMIE 2000plus Seite 63

64 Zusätzlich sind sehr grob die Anwendungsbereiche verschiedener Kollektortypen eingetragen. Zu erkennen ist, dass ein zweistufiger Prozess in Verbindung mit hohem Temperaturhub > 30 K (z.b. Umluftkühlung mit trockener Rückkühlung) mit einer Prozessgüte nach Stand der Technik von ca. 0.3 kaum mit gängigen Kollektortechniken realisierbar ist, da die benötigten Antriebstemperaturen zu hoch sind. Auch bei einer hohen Prozessgüte von 0.4 werden Kollektortemperaturen um 200 C verlangt. Bei einstufigen Prozessen verringert sich die Antriebstemperatur, dafür erhöht sich die notwendige Kollektorfläche (und der thermische Aufwand zur Rückkühlung). Mit einstufigen Prozessen sind aber große Temperaturhübe erreichbar, z.b. Eisspeicherung in Verbindung mit trockener Rückkühlung. Die eingesetzte Technik ist dann Ammoniak-Wasser-Absorptionstechnik. Hier liegen die bisherigen thermischen Leistungszahlen oft unterhalb von 0.7, so dass konzentrierende Kollektortechnik im Mitteltemperaturbereich eingesetzt werden kann. 5.2 Speicher Speicher können in Anlagen der solarthermischen Kühlung sowohl auf der Warmwasserseite (Antriebsseite) als auch auf der Kälteträgerseite eingesetzt werden. Sie dienen dem Ausgleich kurzzeitiger Leistungsschwankungen auf der Kollektorseite und damit der Stabilisierung des TKM-Betriebs. Das Takten der Ab- bzw. Adsorptionskältemaschine kann damit verringert werden, damit verbessert sich durch Vermeidung von Auskühlverlusten die Gesamteffizienz der Anlage; einer Stabilisierung des TKM-Betriebs bei stark schwankender Kühllastanforderung. In diesem Fall ist ein Kältespeicher sinnvoll. Generell ist bei Anlagen mit thermischen Leistungszahlen < 1 eine Zwischenspeicherung auf der kalten Seite effektiver als auf der warmen Seite; allerdings sind hier die Speicherfähigkeiten aufgrund der üblichen geringen Temperaturdifferenzen im Kälteträgerkreis begrenzt. Ein Ausweg bilden insbesondere Phasenwechselspeicher, deren bekanntester Vertreter der Eisspeicher ist. Für den Betrieb von Eisspeichern sind allerdings derzeit nur TKMs mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak-Wasser einsetzbar. Ein Kältespeicher führt neben den zusätzlichen Speicherkosten auch zu einer höheren Komplexität der Anlage (zusätzliche Verteilungspumpe, Steuerungsaufwand). Eine Stabilisierung des TKM-Betriebs kann auch über die Wahl der Kälteverteilungstechnik erreicht werden: Flächenkühlsysteme erhöhen bereits die Trägheit im System, so dass evtl. kein Kältespeicher mehr notwendig ist; einer Verringerung der Nennleistung der thermisch angetriebenen Systemtechnik. Vom Kältespeicher können kurzzeitig hohe Lastspitzen angefordert werden; daher kann die Nennkälteleistung der TKM und damit auch die Größe des Kollektorfeldes reduziert werden; einer Verlängerung des TKM-Betriebs deutlich über die tägliche Kollektorbetriebsdauer hinaus. In diesem Fall muss Antriebswärme zwischengespeichert werden; dies kann nur bei ausreichender Dimensionierung des Kollektorfeldes gelingen. Ob diese Maßnahme wirtschaftlich sinnvoll ist, muss im Einzelfall entschieden werden. Wenn dadurch eine Zusatzkälteversorgung (Backup-System, z.b. konventionelle Kompressionskälteanlage) komplett vermieden werden kann, ist dieser Ansatz eventuell sehr interessant. Maßnahmen zur Verlängerung des TKM-Betriebs und zur Stabilisierung des Betriebs sind natürlich kombinierbar. Eine Fehlanpassung der Heißwasserspeichergröße in Hinblick auf SOLARTHERMIE 2000plus Seite 64

65 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Temperatur [ C ]; Einstrahlung*10 [ W/m² ] Kälteleistung [ kw ] Planungsleitfaden Solare Kühlung Kollektorfeldgröße (und Kollektorart) muss vermieden werden; ein großer Speicher bei nicht ausreichender Dimensionierung des Kollektors kann zu starken zeitlichen Verzögerungen im Betriebsstart der thermisch angetriebenen Kälteversorgung führen, da die notwendige Speichertemperatur erst nach mehrstündigem Kollektorbetrieb erreicht wird. In Modellrechnungen zu Anlagenkonzepten solarthermischer Kühlung liegen günstige Heißwasserspeichergrößen bei Annahme eines solarthermisch monovalenten Betriebs oft im Bereich zwischen 35 und 70 Liter pro m² Aperturfläche des Kollektors. Wird die Solarwärme auch zur Heizung und/oder Warmwasserbereitung genutzt, sind tendenziell größere Speicher vorteilhaft, da in diesen Anwendungen das solare Strahlungsangebot und der Wärmebedarf schlechter korrelieren als bei der Kühlung. In realisierten Anlagen sind häufig aus räumlichen und aus investitionsbedingten Gründen Speichergrößen am unteren Ende des angegebenen Bereichs vorzufinden. Abbildung zeigt einen Betriebstag eines solaren Kühlsystems im kleinen Leistungsbereich, das innerhalb von Solarthermie 2000plus gefördert wurde. Ein Vakuumröhren- Kollektorfeld mit 60 m² Aperturfläche betreibt im Sommer zwei Absorptionskältemaschinen mit jeweils 10 kw Nennkälteleistung; am dargestellten Tag war nur eine der Kältemaschinen in Betrieb. Die Anlage verfügt über einen Heißwasserspeicher von ca. 3 m³ und einen Kaltwasserspeicher von ca. 1 m³. Die Kälteanlage arbeitet solarthermisch autonom, d.h., ausschließlich solare Wärme versorgt die TKM; weitere Kälteversorger existieren nicht. Die Abbildung zeigt, dass die Speicheranwendung einen ca. 8-stündigen kontinuierlichen Kältebetrieb ermöglicht trotz ausgeprägter Einstrahlungsschwankungen an diesem Tag. Relative Größe des Solarpufferspeichers in dieser Installation: 50 Liter pro m² Kollektorfläche (Apertur) bzw. 150 Liter pro kw Nennkälteleistung der gesamten thermisch betriebenen Kältetechnik AbKM 10 kw; 60 m² VRK Einstrahlung 16 T_Heißwasserspeicher T_Kaltwasser14 P_Kälte Abbildung Betriebstag einer kleinen Absorptionskälteanlage. An diesem Tag ist einer der beiden Absorber mit jeweils 10 kw Nennkälteleistung in Betrieb. Der Kollektor besteht aus 60 m² Vakuumröhren (Aperturfläche). Die bereitgestellte Kälte wird in Kühldecken, zur Zuluftkühlung und in einem Kühlschacht genutzt. Der Skalenwert für die Einstrahlung in Kollektorebene muss mit dem Faktor 10 erhöht werden. Wird der Heißwasserspeicher nur zum Betrieb einer TKM genutzt ohne weitere Verwendung für Brauchwarmwasserbereitung und Heizung ist zu überprüfen, ob spezielle Vorrichtungen SOLARTHERMIE 2000plus Seite 65

66 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Temperatur [ C] Volumenstrom [l/h] Planungsleitfaden Solare Kühlung zur Erhöhung der Speicherschichtung sinnvoll sind. Die Volumenströme im Antriebskreis der Kältemaschinen sind in Relation zur Speichergröße hoch (siehe Anhang A2) und die Temperaturdifferenzen zwischen Vor- und Rücklauf sind gering (typisch: zwischen 5 und 10 K). Die Temperaturspreizung kann durch konzeptionelle und steuerungstechnische Maßnahmen erhöht werden, beispielsweise durch eine Verringerung des Massenstroms im Antriebskreis der TKM unterhalb des Nennwertes. Dies muss mit den Möglichkeiten der vorgesehenen Kältemaschine überprüft werden (z.b. Vermeidung der Unterschreitung der minimalen Desorptionstemperatur). Eine andere Maßnahme bei Installation mehrerer Kältemaschinen ist der serielle Betrieb der Wärmeversorgung der Absorber. Ein solcher Betrieb wurde in der bereits oben erwähnten Anlage mit 2*10 kw Nennkälteleistung demonstriert. Steuerungsmäßig können die Heißwasserkreise beider Absorber seriell verschaltet werden. Die Kaltwassertemperaturen aus beiden Maschinen sind dann unterschiedlich: Kaltwasser mit niedriger Temperatur aus der AbKM mit hoher Antriebstemperatur wird für Zuluftkühlung und Entfeuchtung genutzt, Kaltwasser mit höherer Temperatur aus der nachgeschalteten Maschine bedient die Flächenkühlung. Abbildung zeigt einen solchen Betriebstag. Die Temperaturspreizung im gesamten Antriebskreis wird damit zeitweise auf ca. 15 K erhöht Serieller AbKM 2 10 Betrieb kw; am seriell T_HT_ein_1 T_HT_ein_ T_HT_aus_2 T_NT_aus_1 T_NT_aus_ V_HT_1 = V_HT_ Abbildung Betriebstag einer kleinen Absorptionskälteanlage. An diesem Tag sind beide Absorber in der Anlage (je 10 kw Nennkälteleistung) auf der Heißwasserseite in einer Kaskade verschaltet. Die Grafik enthält die Heißwassereintritts- und austtrittstemperaturen (T_HT) sowie die Kaltwasseraustrittstemperaturen (T_NT) beider Maschinen. Die Volumenströme in beiden Heißwasserkreisen (V_HT) sind dann identisch. Zwei große Anlagen, die im Rahmen von Solarthermie 2000plus gefördert wurden, enthalten mehrere Wärmeversorger. Bei diesen Anlagen bestand die thermisch angetriebene Kältetechnik bereits vor Installation der Kollektortechnik, da Abwärme aus Fabrikationsprozessen bzw. Abwärme aus einem BHKW zur Verfügung stand. In beiden Anlagen wird auch zusätzlich Wärme aus Gaskesseln für den TKM-Betrieb eingesetzt, da die verfügbare Abwärme alleine nicht ausreichend ist. Der Aufbau der Kollektorfelder verringert den Einsatz der Gaskessel. In den Installationen kamen unterschiedliche Speichernutzungskonzepte zum Einsatz: Installation mit kw Nennkälte Adsorptionstechnik, Abwärmenutzung, 1218 m² Kollektorfeld, Gaskessel: paralleler Einsatz aller drei Wärmeerzeuger mit Priorität auf Abwärme- und Solarwärmenutzung. Die Wärmeerzeuger speisen gleichzeitig Wärme in SOLARTHERMIE 2000plus Seite 66

67 Volumenstrom [ m³ / h ] Planungsleitfaden Solare Kühlung den Wärmeverteiler ein. Die solarthermische Wärmeversorgung muss nicht notwendigerweise größere Einstrahlungslücken überbrücken und eine Mindestbetriebszeit aus solarer Wärme ist nicht erforderlich. Dadurch wurde der Solarpufferspeicher klein dimensioniert zur Glättung kurzer Kollektorleistungsfluktuationen. Relative Größe des Solarpufferspeichers: 14 Liter pro m² Kollektorfläche (Apertur) bzw. 16 Liter pro kw Nennkälteleistung der gesamten thermisch betriebenen Kältetechnik. Nachteil: Betriebstechnisch ist es schwierig, die Temperaturen aller drei Wärmeerzeuger auf dem gleichen Wert zu halten. Am Wärmeverteiler und in der hydraulischen Weiche findet Wärmemischung statt und die Antriebstemperaturen liegen teilweise deutlich unterhalb der Wärmequelle mit höchster Temperatur; Installation mit kw Nennkälte Absorptionstechnik (davon in der Regel nur einer in Betrieb), BHKW-Wärmenutzung, 315 m² Kollektorfeld, Gaskessel: überwiegend sequentieller Einsatz aller drei Wärmeerzeuger mit Priorität auf Solarwärme- und BHKW-Wärmenutzung. Die Wärmeerzeuger speisen überwiegend zeitlich nacheinander Wärme in den Wärmeverteiler ein. Damit werden Mischvorgänge aus Wärmequellen unterschiedlicher Temperatur vermieden. Allerdings ist eine entsprechende Kollektorund Speicherdimensionierung erforderlich, um ein häufiges Takten im Betrieb der Wärmeversorger zu vermeiden. Da wegen begrenzt verfügbarer Fläche für die Kollektoren die Kollektorleistung alleine nicht für den Betrieb einer der Kältemaschinen ausreicht, wird das Zusammenspiel von Wärmeentnahme aus dem Speicher, gleichzeitiger Kollektorwärmeleistung und maximaler Temperaturabsenkung genutzt, bis die Antriebstemperatur einen Grenzwert unterschreitet und auf Wärmeentnahme aus dem Wärmespeicher des BHKW umgeschaltet wird. Relative Größe des Solarpufferspeichers: 63 Liter pro m² Kollektorfläche (Apertur) bzw. 29 Liter pro kw Nennkälteleistung der gesamten thermisch betriebenen Kältetechnik. Nachteilig ist das häufigere Auskühlen der Leitungen zum Wärmeverteiler bei den nicht aktiven Wärmeerzeugern. Abbildung zeigt für diese Anlage den sequentiellen Betrieb der drei Wärmeerzeuger an drei Betriebstagen AbKM August kw V_Solarspeicher V_BHKW V_Gaskessel Minute des Tages Abbildung Sequentieller Betrieb der Wärmeerzeuger für eine Anlage mit solarthermischer Unterstützung des Absorptionskältebetriebs. Drei Betriebstage; dargestellt sind die Volumenströme aus den Wärmequellen zum Wärmeverteiler. Die Wärme wird auch für weitere Brauchwarmwasserzwecke eingesetzt. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 67

68 5.3 Zusätzliche Wärme- / Kälteversorger Ist aufgrund des Kühlbedarfs eine rein solarthermisch angetriebene Kälteversorgung nicht ausreichend (Beispiel: Sollwerte der Raumluftzustände dürfen nicht überschritten werden), ist eine Zusatzversorgung notwendig, um die Kälteversorgung über den solarthermischen Betriebszeitraum hinaus zu gewährleisten. Dazu kommen im Prinzip zwei Möglichkeiten in Betracht: Die thermisch betriebene Kältetechnik wird neben solarer Wärme auch mit Wärme aus weiteren Wärmequellen versorgt, die immer zur Verfügung stehen. Dann ist Sorptionskältetechnik als alleiniger Kälteerzeuger ausreichend (wärmeseitiger Backup); Es wird nur solare Wärme für die thermisch angetriebene Kältetechnik eingesetzt. Reicht diese nicht aus, übernimmt eine zusätzliche konventionelle elektrisch betriebene Kompressionskältetechnik die Versorgung (kälteseitiger Backup). Die erste Option mit dem wärmeseitigen Backup scheint zunächst vorteilhaft, da üblicherweise zur Gebäudebeheizung ohnehin eine weitere Wärmequelle vorhanden ist. Wird diese weitere Wärmequelle allerdings mit fossilen Brennstoffen betrieben, besteht die Gefahr einer deutlichen Verringerung der erwarteten Primärenergieeinsparungen oder es treten sogar negative Einsparungen auf (Bilanz ungünstiger als im Vergleichssystem). Dies verdeutlicht Abbildung 5.3.1: Die Abbildung zeigt eine einfache Abschätzung der Primärenergieeinsparungen einer solarthermisch unterstützten Kühlung. Die Kälteversorgung erfolgt nur über eine Ab- oder Adsorptionskältetechnik mit drei unterschiedlich angenommenen Werten des thermischen Leistungsverhältnisses. Die solare Wärme kann einen variablen Prozentteil der Antriebswärme decken (0 bis 100%), die fehlende Antriebswärme wird von einer Wärmequelle mit fossilen Brennstoffen gedeckt (Gaskessel). Es wird nur Kälteversorgung und keine weitere Wärmeversorgung betrachtet. Die Primärenergieeinsparungen im Vergleich zu einer konventionellen Kälteversorgung auf Basis elektrisch betriebener Kompressionskältetechnik sind dargestellt über dem Deckungsanteil der solaren Wärme an der Antriebswärme. Für den Vergleich wurde ein EER KKM der konventionellen Kältetechnik von 3.0 angenommen. Man erkennt, dass bei einer thermischen Leistungszahl von 0.7 ein solarthermischer Deckungsanteil von > 60% vorliegen muss, damit überhaupt im Vergleich Primärenergie eingespart wird. Bei höherer Leistungszahl (z.b. zweistufiger TKM-Prozess) verringert sich die notwendige solarthermische Deckung. Steht eine weitere, primärenergetisch und emissionsmäßig neutrale Abwärmequelle als Wärme-Backup nicht zur Verfügung, wird aus der Abschätzung folgendes deutlich: Der Einsatz von Wärmequellen auf Basis fossiler Brennstoffe ist für den Kältebetrieb problematisch. Kann ein definierter solarer Deckungsanteil nicht eingehalten bzw. nicht überprüft werden, sollte in Neuinstallationen mit thermisch angetriebener Kältetechnik auf solche Wärmeträger verzichtet werden; Ist für weitere Wärmeversorgungszwecke eine fossil betriebene Wärmequelle vorhanden, muss anlagentechnisch dafür gesorgt werden, dass keine nennenswerten Einträge aus dieser Wärmeerzeugung in die thermisch betriebene Kühlung erfolgen; Ein kälteseitiger Backup (KKM mit guter Leistungszahl) ist zumindest bei einstufigen thermisch angetriebenen Kälteprozessen aus primärenergetischen Gründen vorzuziehen; Insbesondere in kleineren Installationen ist zu überprüfen, ob eine solarthermisch autonome Kühlung ohne wärme- oder kälteseitigem Backup ausreichend ist und eine zeitlich begrenzte Überschreitung der Raumluft-Sollwerte zugelassen werden kann. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 68

69 rel. Primärenergieeinsparung delta_pe Planungsleitfaden Solare Kühlung 80% 60% 40% 20% 0% -20% -40% EER KKM; Vergleichsprozess = 3.0 COP_th = 1.0 COP_th = 0.7 COP_th = 0.5 Datenreihen4-60% -80% Solarer Deckungsanteil an der Antriebswärme für thermisch angetriebene Kühlung SF C Abbildung Relative Primärenergieeinsparung für Bereitstellung einer kwh Nutzkälte in einer solarthermisch unterstützten Kühlung mit wärmeseitigem Backup mit Nutzung fossiler Brennstoffe (Gaskessel). Bei niedriger thermischer Leistungszahl EERTKM tritt bei Nutzung des Backups ein hoher Primärenergieaufwand auf; dadurch steigt der erforderliche solare Deckungsanteil zur Primärenergieeinsparung. Die Einsparungen sind bezogen auf einen Vergleichsprozess mit elektrisch betriebener Kompressionskältetechnik mit EERKKM = konstant 3.0. Weitere Annahmen für die Abschätzung: Wirkungsgrad Gaskessel: 90 % Primärenergiefaktor Gas: 1.05 Primärenergiefaktor el. Strom: 2.6 Leistungszahl Kollektor: 50 kwhth,kollektor / kwhel Leistungszahl Rückkühlung: 33 kwhth,rückkühlung / kwhel Leistungszahl nur TKM: 100 kwhth,kälte / kwhel In der Regel ist ein weiterer Wärmeerzeuger (z.b. Gaskessel) für die Gebäudebeheizung und eventuell für die Brauchwarmwasserbereitstellung vorhanden. Eine Vermeidung der Wärmenutzung aus dieser Wärmequelle für Zwecke der thermisch betriebenen Kältetechnik kann am wirkungsvollsten durch getrennte hydraulische Einbindung erreicht werden (solarthermisch monovalenter Speicher; getrennte Wärmeverteiler für Heizen / Antriebswärme usw.). Allerdings wird in vielen Konzepten insbesondere für kleine Anlagen der Gaskessel in den oberen Bereitschaftsraum des Solarspeichers eingebunden. Dann ist darauf zu achten, dass aufgrund der veränderten Systemtemperaturen in Anlagen mit solarer Kühlung im Vergleich zu normalen Solarkombi-Anlagen noch ein Kondensationsbetrieb des Gaskessels (Brennwertbetrieb) erzielt wird. Zum anderen müssen sich die Temperaturniveaus zum Antrieb der Kältemaschine und zur weiteren Wärmenutzung, beispielsweise zur Brauchwarmwassernutzung, deutlich unterscheiden. Abbildung verdeutlicht dies: Der Gaskesselbetrieb stellt nur Warmwasser zur Brauchwarmwassernutzung bis zu einer Temperatur bereit, die unterhalb der notwendigen Betriebstemperatur für den Betrieb der TKM liegt. Nur wenn der Solarkollektor die Speichertemperatur weiter anhebt, kann der Kältebetrieb aufgenommen werden. Über diese steuerungstechnische Maßnahme wird ein nennenswerter Beitrag von Wärme aus fossilen Brennstoffen für den Kältebetrieb vermieden. Abbildung zeigt einen solchen Betrieb in einer Anlage mit 30 kw Nennkälteleistung, die ebenfalls innerhalb des Förderprogramms Solarthermie 2000plus errichtet wurde. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 69

70 Wärmeleistung [kw] Th. Leistung Wärmeleistung [kw]; Temperatur [kw] [ C ] Planungsleitfaden Solare Kühlung Solare Wärme > 70 C Antrieb AbKM Wärme aus Gaskessel < 70 C Brauchwarmwasser Abbildung Entkopplung der Temperaturniveaus: der Gaskessel hebt die Speichertemperatur nur auf ein Niveau unterhalb des Betriebsstarts der Absorptionskältemaschine an. Erst wenn durch solare Wärme die Temperatur im Speicher weiter ansteigt, kann die Kälteversorgung aufgenommen werden. Der Speicher wird durch den Gaskessel damit zeitweise vorgewärmt, so dass immer noch Anteile der Wärme aus dem Gaskessel dem TKM-Antrieb indirekt zugeführt werden; dieser Anteil ist jedoch gering, da auch der Heißwasserrücklauf aus der TKM noch auf hohem Temperaturniveau erfolgt (typische Temperaturspreizung im Antriebskreis von Absorbern: 5-10 K) August AbKM kw P_Kollektor_sekundär (SP) P_Gaskessel (HT) T_Pufferspeicher_ August EER TKM P_Antrieb (SSc) P_Kälte (SPK) COP_th EER_TKM 0.0 Abbildung Betrieb einer solarthermisch autonomen Kühlung mit einer 30 kw Absorptionskältemaschine. Oben: Wärmeleistungen des Kollektors und des Gaskessels sowie die Speichertemperatur (obere Temperaturmessstelle). Der Betrieb des Gaskessels erfolgt normalerweise außerhalb der Betriebszeiten der AbKM, da der Kessel den Speicher zur Versorgung einer Frischwasserstation auf ca. 70 C Temperatur hält. Der Betrieb der Absorptionskältemaschine erfolgt auf höherem Temperaturniveau. Die blauen Strichlinien verdeutlichen, dass der Kältemaschinenbetrieb im Temperaturbereich von ca. 80 C (Start) bis ca. 70 C (Stopp) erfolgt. Der Gaskesselbetrieb am 23. August mit der zeitlichen Überschneidung des Kollektor- und AbKM-Betriebs ist untypisch. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 70

71 5.4 Betriebsführung Neben einer abgestimmten Dimensionierung der Einzelkomponenten und Wahl der Systemkonfiguration ist eine angepasste Betriebsführungsstrategie unter Einbindung aller Komponenten essenziell für den fehlerfreien und effizienten Betrieb eines solaren Kühlsystems. Folgende Komponenten sind dabei zu berücksichtigen: Pumpe(n) im Solarkreis Pumpe(n) im Antriebskreis der Kältemaschine Falls vorhanden: interne Leistungsregelung der Kältemaschine (z.b. Variation der Zyklenzeit bei Adsorptionskältemaschinen) Pumpe(n) im Rückkühlkreis der Kältemaschine Falls vorhanden: Ventilator im Rückkühler Pumpe(n) im Kaltwasserkreis der Kältemaschine Kälteverteilung Gegebenenfalls Backup-Systeme Gegebenenfalls weitere Wärmeabnehmer Für das Kollektorsystem kommen verschiedene Regelungen zum Einsatz. Üblicherweise wird es als low-flow, high-flow oder als matched-flow Anlage betrieben. Dabei ist in der solaren Kühlung ein low-flow Betrieb des Kollektors nur begrenzt einsetzbar, um etwa schnell die Starttemperatur der Kältemaschine zu erreichen. Darüber hinaus sind in der Regel höhere Massenströme zur Aufrechterhaltung der Antriebsleistung und eines stabilen Temperaturniveaus erforderlich. Mit einem matched-flow Betrieb lässt sich regelungstechnisch eine optimale thermische Gesamteffizienz (Produkt aus aktuellen Werten des Kollektorwirkungsgrades und EER TKM) einstellen. Auch zur Regelung der Kälteleistung von Sorptionskältemaschinen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zur Reduktion der mittleren Kälteleistung können sie taktend betrieben werden. Aufgrund der thermischen Trägheit wird dadurch jedoch die Arbeitszahl beeinträchtigt. Alternativ kann der Massenstroms im Antriebskreis variiert werden. Bei vielen Maschinen lässt sich so die Kälteleistung über einen weiten Bereich (~25%...100%) modulieren. Bei Adsorptionskältemaschinen kann die Kälteleistung auch durch Anpassung der Zyklenzeit verändert werden. Nachteilig bei den genannten Verfahren ist, dass der Hilfsstrombedarf der großen Verbraucher im Rückkühlkreis konstant bleibt. Daher wird zunehmend darauf gesetzt, die Kälteleistung über den Rückkühlventilator als wichtigsten elektrischen Verbraucher im System zu regeln. Dabei wird die Drehzahl gezielt reduziert und somit die Kühlwassertemperatur erhöht, was eine Leistungsabnahme der Kältemaschine zur Folge hat. Die damit verbundene Reduktion der thermischen Leistungszahl (EER TKM) wird dabei bewusst in Kauf genommen. Innovative Regelungen berücksichtigen verschiedene Betriebsparameter gleichzeitig. Kühn et al zeigte, dass durch die Regelung der Ventilatordrehzahl in Abhängigkeit der vom Solarsystem vorgegebenen Antriebstemperatur und der gewünschten Kälteleistung gegenüber einem Referenzsystem mit ungeregeltem Ventilator entweder eine Reduktion der Stromaufnahme des Rückkühlventilators oder eine höhere Kältebereitstellung bei gleicher Einstrahlung möglich ist 11. Zudem wurde durch Simulationen gezeigt, dass eine abgestimmte 11 Kühn, A. et al.: Comparison Of Control Strategies Of Solar Absorption Chillers, Eurosun Conference, Lisbon, Portugal, 2008 SOLARTHERMIE 2000plus Seite 71

72 Regelung der Massenströme im Solar- und Antriebskreis sowohl den Solar- und Kälteertrag als auch den thermischen EER erhöhen kann 12. In einer Untersuchung mit dem Ziel, das solarthermische Kühlsystem betriebskostenoptimiert zu betreiben, wurden die Antriebs- und Rückkühltemperatur mit Kostenfunktionen verknüpft und anschließend für verschiedene Randbedingungen (Außentemperatur, Kältelast) das optimale Temperaturpaar bestimmt 13. Inzwischen vermarkten erste Anbieter von Komplettsystemen zur solaren Kühlung entsprechend optimierte Regler. Gleichzeitig wird in aktuellen Forschungsprojekten an der Entwicklung von generischen Betriebsführungsstrategien gearbeitet, welche möglichst unabhängig von den verbauten Komponenten und der jeweiligen Anwendung einen optimierten Anlagenbetrieb sichern soll Bujedo, L. et al.: Comparing Different Control Strategies and Configurations for Solar Cooling, Eurosun Conference, Lisbon, Portugal, Albers, J. et al.: Solar-driven Adsorption Chiller Controlled by Hot and Cooling Water Temperature, Otti 3 rd International Conference Solar Air-Conditioning, Palermo, Italy, z.b. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 72

73 6 Realisierte Anlagen Die Anzahl weltweit installierter Anlagen mit solarthermisch unterstützter Kühlung wird auf grob 1000 geschätzt (2012). Die installierte Kälteleistung umspannt dabei einen großen Bereich von 5 kw bis zu einigen MW Nennkälteleistung; die Kollektorfläche umfasst eine ähnliche Größenordnung von einigen 10 m² bis zu einigen 1000 m². Sehr unterschiedlich sind auch die realisierten Anlagenkonzepte. Umfangreiche Berichte zu Monitoring-Ergebnissen, Empfehlungen für Monitoring-Ansätze und Hinweise zur Planung, Wartung und zum Betrieb der Anlagen wurden innerhalb des Task 38 Solar Air-Conditioning and Refrigeration im Solar Heating and Cooling Programme (SHC) der Internationalen Energieagentur IEA zusammengestellt 15. Im Rahmen von Solarthermie 2000plus wurden fünf Anlagen gefördert. Auch diese Installationen weisen eine große Bandbreite hinsichtlich der Anlagengröße und der Anlagenkonfiguration auf. Jede Anlage ist auf den Anwendungszweck hin maßgeschneidert, eine standardisierte Anwendung ist innerhalb des Förderprojektes noch nicht erfolgt. Die Installationen lassen sich einteilen in die Kategorien Solar unterstützte Klimatisierung im großen Leistungsbereich. Für die thermisch angetriebenen Kältemaschinen stehen mehrere Wärmeerzeuger zur Verfügung: - solare Wärme - Abwärme aus Fertigungsprozessen (Installation A) bzw. aus BHKW (Installation B) - fossile Wärme aus Gaskesseln. Aufgrund des hohen Kühlbedarfs sind große Kollektorflächen erforderlich; diese ist aber durch die baulichen Gegebenheiten limitiert, so dass die solare Deckung am Gesamtwärmebedarf begrenzt ist. Gekühlt und klimatisiert werden Büroräume, Betriebsräume, Call-Center; Solare Klimatisierung im kleinen Leistungsbereich mit ausschließlich solarer Wärme zum Antrieb der Kältemaschine. Eine weitere Wärmequelle auf Basis fossiler Brennstoffe wird zu Heizzwecken (und zusätzlicher Brauchwarmwassererwärmung) eingesetzt. Die erzeugbare Kältemenge wird daher durch die Größe des Kollektorfeldes und der Verfügbarkeit solarer Einstrahlung vorgegeben. Gekühlt und klimatisiert werden Seminarräume einer Beruflichen Schule (Installation C) bzw. Büroräume (Installation D); Solar unterstützte Prozess- und Raumkühlung. Eine solarthermisch angetriebene Anlage unterstützt Prozesskühlung und entlastet tagsüber den Kältebezug aus einer konventionellen Kälteversorgung. Bei passender Laststruktur werden damit Bezugsspitzen der elektrischen Leistungsaufnahme aus dem elektrischen Versorgungsnetz verringert. Die Unterstützungsfähigkeit der thermisch angetriebenen Kältetechnik wird durch die Größe des Kollektorfeldes und durch die Verfügbarkeit solarer Einstrahlung vorgegeben. Mit der Kälteversorgung werden hohe Wärmelasten aus medizinischen Geräten in einer Radiologischen Praxis abgeführt (Installation E) z.b. Subtask A Reports: Monitoring procedure for Solar Cooling systems Monitoring results Installation, Operation and Maintenance Guidelines for Pre-Engineered Systems SOLARTHERMIE 2000plus Seite 73

74 [ kwh Nutzkälte / kwh Wärmeeinsatz ] Planungsleitfaden Solare Kühlung Die Betriebsergebnisse aus diesen Anlagen sind ausführlich im Schlussbericht Solarthermie 2000plus: Wissenschaftliche Programmbegleitung und Begleitforschung Solarthermische Gebäudeklimatisierung dargestellt 16. Teilergebnisse wurden bereits in den vorangegangenen Abschnitten eingefügt. Eine Herausforderung in der Errichtung zukünftiger Anlagen besteht in einer deutlichen Verbesserung der elektrischen Arbeitszahl seer TKM_el. Anhand dieser Arbeitszahl erfolgt ein direkter Vergleich mit dem Betrieb konventioneller Kälteanlagen. Auch wenn in der konventionellen Kältetechnik durch ausgeprägten Teillastbetrieb, ungünstige Auslegung und Steuerung ebenfalls saisonale Arbeitszahlen deutlich unterhalb der Nennwerte vermutet werden können, sind Anstrengungen in der solarthermischen Kühlung zur Erhöhung der elektrischen Effizienz erforderlich. 0.8 Thermische Arbeitszahl seer TKM Ab, 4.5 kw; Einzelmonate 1) Ab, 10 kw; Einzelmonate 2) Ad, 8 kw; ) Ab, 52 kw; ) Studie SolarCombi+ 5) Ad, 1050 kw; * Ab, 20 kw; * Ab, 30 kw; 2010/2011 * Ab, 680 kw; 2011/2012 * Elektrische Arbeitszahl seer TKM,el [ kwh Nutzkälte / kwh Elektroenergieeinsatz ] Abbildung 6.1 Thermische Jahresarbeitszahl der Kälteerzeugung, aufgetragen über der elektrischen Jahresarbeitszahl (Monatswerte für zwei Installationen). Die Betriebsdaten aus Solarthermie 2000plus sind mit * gekennzeichnet (Ab: Absorptionstechnik; Ad: Adsorptionstechnik). Dabei wurde aus der Anlage Ad, 1050 kw durch eine Abschätzung der Stromverbrauch für die Kaltwasserverteilung herausgerechnet, der auch in den anderen Werten nicht enthalten ist. 1) luftgekühlte AbKM; aus IEA Task 38, Subtask A, Monitoring Report 2) AbKM mit Latentwärmespeicher in Rückkühlung; aus IEA Task 38, Subtask A, Monitoring Report 3) AdKM mit Rückkühlung über Erdsonden; Anlage am Fraunhofer ISE (eigene Betriebsdaten) 4) AbKM zur Weinlagerkühlung, Südfrankreich (Banyuls); GSTEC-Info Okt ) Aus einer Potenzialstudie für kleine Solarkombi-Anlagen mit solarer Kühlung mit unterschiedlichen TKM, Kollektoren und an unterschiedlichen Standorten (EU-Projekt SolarCombi+, 2009) Abbildung 6.1 zeigt die Jahresarbeitszahlen thermisch und elektrisch für die Anlagen aus Solarthermie2000plus und für einige weitere Installationen (teilweise nur Monatswerte vorhanden). Dazu sind auch aus einer Potenzialstudie für kleine Anlagen der solaren Kühlung die Werte aus Modellrechnungen für einen optimalen Systembetrieb eingetragen (gelbe Markierungen). 16 Schlussbericht zur Begleitforschung (FKZ A). Ab Sommer 2013 erhältlich über die Technische Informationsbibliothek der Universität Hannover ( oder über die ISE-Internetseite SOLARTHERMIE 2000plus Seite 74

75 COP thermal [-] COP electric [-] Planungsleitfaden Solare Kühlung Es ist zu erkennen, dass die Potenziale insbesondere in der elektrischen Arbeitszahl noch nicht ausgeschöpft sind. In vielen Fällen wird in der Rückkühlung zu viel Elektroenergie eingesetzt; dies resultiert z.b. aus einer unzureichenden Regelung der Kühlturmventilatoren und Pumpen sowie der unzureichenden Auslegung der hydraulischen Komponenten. Dies ist nicht nur ein Problem in der solaren Kühlung, sondern adressiert auch Planung und Installation in konventioneller Klimatechnik. In zwei der großen Anlagen in Abbildung 6.1 (Ad, 1050 kw; Ab, 680 kw) war die Kälte- und Rückkühltechnik bereits vor der Erweiterung zu einer solaren Kühlung vorhanden. In einer kleinen Anlage (Ab, 20 kw) ist der Elektroenergieaufwand für die Rückkühlung vergleichsweise gering; die Jahresarbeitszahl seer TKM_el wird hier durch eine überdimensionierte Pumpe im Heißwasserkreis der Kältemaschine herabgesetzt. Nach einer Schätzung könnte bei Verwendung einer adäquaten Pumpe die elektrische Jahresarbeitszahl von < 5 auf ca. 7 angehoben werden. Am Fraunhofer ISE wurde auch der Betrieb von zwei Absorptionskältemaschinen mit dem Stoffpaar Ammoniak/Wasser zur Prozesskältebereitstellung (Kälteträgertemperaturen 0 C bis -12 C zur Eisspeicherung) demonstriert. Die Nennkälteleistung je Maschine beträgt 12 kw. Die Antriebswärme bis 200 C lieferte ein linear-konzentrierender Fresnel-Kollektor. Abbildung 6.2 zeigt, dass mit sorgfältig ausgelegter Hydraulik hohe elektrische Arbeitszahlen erreichbar sind trotz Kälteträgertemperaturen < 0 C. Ohne Berücksichtigung der Kälteverteilung werden Tageswerte zwischen 8 und 12 erreicht AbKM, NH 3 /H 2 O Leistungszahlen, Heißwasserbetrieb COP EER TKM thermal 18 COP EER TKM_el electric 16 COP EER electric (without TKM_el 14 cold distribution pump) (mit Kälteverteilung) 12 EER TKM :00 8 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Stunde des time Tages EER TKM_el Abbildung 6.2 Tagesverlauf der thermischen und elektrischen Leistungszahl einer Pilotanlage zur solaren Prozesskühlung mit NH3/H2O-Absorptionskältetechnik mit integrierter Luftkühlung und konzentrierendem Kollektor. Die Anlage wurde innerhalb des EU-geförderten Projektes SOLERA in Freiburg errichtet. Bei einer Kälteträgertemperatur < 0 C wird dennoch über weite Zeitanteile des Tages eine elektrische Leistungszahl von ca. 12 erreicht. Die Bereitstellung von Prozesskälte mit solarthermischen Verfahren zur Lebensmittelkühlung stellt ein relativ neues und interessantes Anwendungsgebiet für sonnenreiche Standorte dar; in zahlreichen Regionen ist die Stromversorgung aus dem elektrischen Netz durch weiteren Zubau von elektrisch betriebener Kompressionskältetechnik gefährdet. Zur weiteren Demonstration dieser Technik wurde beispielsweise in der Nähe von Freiburg von industriellen Partnern aus der Kühl- und Kältetechnik zusammen mit dem Fraunhofer ISE eine Demonstra- SOLARTHERMIE 2000plus Seite 75

76 tionsanlage errichtet (Abbildung 6.3). Auch hier dient ein konzentrierender Kollektor zum thermischen Antrieb einer NH 3/H 2O-AbKM, um ein Kühllager zu betreiben. Im Kühllager ist auch der Eisspeicher integriert. Abbildung 6.3 Demonstrationsanlage zur solaren Prozesskühlung für Kälteträgertemperaturen < 0 C. Die Anlage ist in der Nähe von Freiburg aufgebaut. Auf dem Dach befinden sich der Fresnel- Kollektor sowie die Kältemaschine. Im Bild ist auf der linken Seite unten die angebaute Kühlzelle zu sehen, in der auch der Eisspeicher untergebracht ist. Bildquelle: Kramer GmbH. Der Kollektor ist in dieser Anlage überdimensioniert, da in kleineren Einheiten dieses Kollektors die optischen Randverluste dominieren. Die Anlage dient zur Erprobung der Technologie und zur Ausarbeitung geeigneter Steuer- und Regelstrategien für den Einsatz in größeren Leistungsklassen an sonnenreichen Standorten. Die Messdaten weisen eine vergleichbar hohe Effizienz wie in der Pilotanlage in Abbildung 6.2 auf. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 76

77 7 Normung und Standardisierung Für die Planung von solaren Kühlungsanlagen sind Normen und Regeln nötig, um Kunden einen anerkannten Qualitätsstandard gewährleisten zu können. Leider stehen derzeit weder für Deutschland noch für andere Länder Standards zur Verfügung, die explizit auf die Bedürfnisse der solaren Kühlung zugeschnitten sind. International wird unter der Schirmherrschaft der Internationalen Energieagentur IEA (Annex 34 Thermally Driven Heat Pumps for Heating and Cooling, SHC Task 48 - Quality Assurance and Support Measures for Solar Cooling System, SHC Task 38 - Solar Air-Conditioning and Refrigeration) daran gearbeitet, um die unterschiedlichen Ansprüche an einen anerkannten Standard voranzubringen. Das folgende Kapitel gibt einen Überblick über die aktuelle Situation und die Ansprüche an diese Standards. Es wird eingegangen auf Bedarf an Standardisierung Bestehende Standards Standardisierte Darstellungen von solaren Kühlsystemen Kennzahlen und deren Systemgrenzen zur Bewertung der Effizienz von solaren Kühlsystemen Bedarf an Standardisierung In solaren Kühlsystemen, die im praktischen Betrieb Probleme bereiten, mangelt es meist an mindestens einem der drei folgenden Punkte: 1. Das Betriebsverhalten einzelner Komponenten ist nicht zufriedenstellend (Effizienz der Teil-Komponenten), 2. Die Komponenten wurden in ihrem Zusammenspiel nicht richtig aufeinander abgestimmt (Dimensionierung), 3. Die Regelungsstrategie der Gesamtanlage ist nicht ausgereift. Sinnvoll wären Standards, durch deren Einhaltung die genannten Probleme beseitigt werden können. Doch weder für die Anforderung an die Regelstrategie noch für die Dimensionierung der Komponenten gibt es derzeit verallgemeinerbare Ansätze. Standards für die Bewertung der einzelnen Teil-Komponenten sind aber schon verfügbar und Standards für die Bewertung des Gesamtsystems rücken in greifbare Nähe. Um das Risiko von Fehlfunktionen zu reduzieren, bieten einige Systemhersteller inzwischen vorausgelegte Komplettlösungen ( Solar Cooling Kits ) an, bei denen die Hauptkomponenten wie Kollektor, Speicher, Kältemaschine und Rückkühler aufeinander abgestimmt und mit einer übergeordneten Steuerung verknüpft sind. Für solche Systeme sollen vorrangig Standards entwickelt werden. Darauf aufbauend können Standards für kundenspezifische Lösungen abgeleitet werden, was sich auf Grund der vielfältigen Verschaltungsmöglichkeiten schwieriger gestaltet. Für die meisten der Einzelkomponenten eines solaren Kühlsystems gibt es bereits Standards oder Spezifikationen. Aufgabe eines Standards zur solaren Kühlung ist deshalb, das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten sicherzustellen oder zu bewerten, wobei keine Widersprüche zu bestehenden Standards entstehen dürfen. Ein Standard zur solaren Kühlung muss beinhalten, wie die entsprechenden Anforderungen (Sicherheitsanforderungen, Effizienz) gemessen werden können. Dies beinhaltet Messungen SOLARTHERMIE 2000plus Seite 77

78 unter Prüfbedingungen. Kunden interessiert bei Angaben über die Effizienz jedoch nicht, wie sich die Anlage in einem bestimmten Betriebszustand verhält sondern vor allem, wie sie sich über einen gewissen Zeitraum unter ihren individuellen Bedingungen verhält. Dafür ist ein Verfahren nötig, um aus den Prüfmessungen eine Arbeitszahl ableiten zu können. Die so ermittelte Nennarbeitszahl unterscheidet sich natürlich von der tatsächlichen Arbeitszahl im praktischen Betrieb, die unter anderen Bedingungen und durch mögliche Beeinflussung von Nutzern ermittelt werden kann. Überblick über relevante Normen Der folgende Abschnitt gibt einen Überblick über aktuelle Normen für den deutschen Raum. Vollständigkeit ist nicht gewährleistet. Hier erfolgt nur eine Auflistung der Namen der Normen und deren Nummern. Auslegung von Gebäudesystemen Ein sehr umfassendes Regelwerk zur Auslegung und Bewertung von Gebäudeinstallationen ist die DIN V Damit kann der Bedarf eines Gebäudes in der Planungsphase abgeschätzt werden. Energetische Bewertung von Gebäuden Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung (Norm DIN V :2011 ; Norm DIN V :2007 ; Norm DIN V :2007 ; Norm DIN V :2007 ; Norm DIN V :2007 ; Norm DIN V :2007 ; Norm DIN V :2007 ; Norm DIN V :2007 ; Norm DIN V :2005 ; Norm DIN V :2007 ; Norm DIN V :2009 ; Norm DIN V Beiblatt 1:2010) Standards zu Raumluftqualität und Lüftungstechnik Auszugsweise einige der Standards zum Thema: VDI 6022: Raumlufttechnik, Raumluftqualität. Blatt 1: Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte (VDI-Lüftungsregeln), ; Blatt 1.1: Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte Prüfung von Raumlufttechnischen Anlagen (VDI-Lüftungsregeln), ; Blatt 3: Beurteilung der Raumluftqualität, ; Blatt 4: Qualifizierung von Personal für Hygienekontrollen, Hygieneinspektionen und die Beurteilung der Raumluftqualität, ; Blatt 6: Luftbefeuchtung über dezentrale Geräte Planung, Bau, Betrieb und Instandhaltung, DIN EN (2007: Ersatz für DIN RLT-Anlagen): Lüftung von Nichtwohngebäuden Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme DIN (2008): Raumlufttechnische Anlagen in Gebäuden und Räumen des Gesundheitswesens DIN (2009): Lüftung von Wohnungen Allgemeine Anforderungen, Anforderungen zur Bemessung, Ausführung und Kennzeichnung, Übergabe/Übernahme (Abnahme) und Instandhaltung DIN (2009): Raumlufttechnische Anlagen in Laboratorien SOLARTHERMIE 2000plus Seite 78

79 Standards zu Sonnenkollektoren Derzeit gibt es bereits ein Normsystem für die Anforderungen an Solaranlagen. Normungstechnisch wird unterschieden, ob beim Verkauf ein Solarkollektor oder ein Solarsystem angeboten wird. Bei Solarsystemen wird weiterhin unterschieden, ob es sich um ein Standard-System oder eine Individuallösung handelt. Entsprechend gibt es folgende Normen: Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile Kollektoren: (Norm DIN EN Entwurf: 2011 ; Norm DIN EN :2006) Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile Vorgefertigte Anlagen: Alte Fassung (Norm DIN EN Entwurf: 2012 ; Norm DIN EN Entwurf: 2012) und überarbeitete Fassung (Norm DIN EN Entwurf: 2012 ; Norm DIN EN Entwurf:2012) Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile Kundenspezifisch gefertigte Anlagen: (Norm DIN EN :2012), (Norm DIN EN :2012), (Norm DIN EN :2012), (Norm DIN EN :2012), (Norm DIN EN :2012) Standards zu thermischen Kälteanlagen Für thermisch angetriebene Kälteanlagen zum solaren Kühlen gibt es keine direkten Normen, für thermisch angetriebene Wärmepumpen sind jedoch bereits Normen verfügbar. Gasbefeuerte Sorptions-Geräte für Heizung und/oder Kühlung mit einer Nennwärmebelastung nicht über 70 kw: überarbeitete Vornorm (Norm pren :2012 ; Norm pren :2012 ; Norm pren :2012 ; Norm pren :2012 ; Norm pren :2012 ; Norm pren :2012) Wärmepumpen; Anschlussfertige Heiz-Absorptionswärmepumpen Begriffe; Anforderungen, Prüfung, Kennzeichnung: (Norm DIN :1988 ; Norm DIN :1988 ; Norm DIN :1988) Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresheizzahl und des Jahresnutzungsgrads von Sorptionswärmepumpenanlagen - Gas-Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung (VDI ) Energiesparende Wärmepumpen (RAL-UZ 118 (blauer Engel) 2012), auch gültig für Abund Adsorptionswärmepumpen Standards zu elektrischen Kompressionskälteanlagen und -Wärmepumpen Für viele Solare Kühlsysteme wird eine Kompressionskältemaschine als Backup-System bei mangelnder Solarstrahlung oder zur Abdeckung der Spitzenlast benötigt. Kompressionskälteanlagen besitzen einen hohen Normungsgrad: Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern für die Raumbeheizung und Kühlung: (Norm EN :2012 ; Norm EN :2012 ; Norm EN :2012 ; Norm EN :2012) Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und WP mit el. angetriebenen Verdichtern zur Raumbeheizung und Kühlung - Prüfung und Leistungsbemessung unter Teilbedingungen und Berechnung der jahreszeitbedingten Leistungszahl (Norm DIN EN 14825:2012) SOLARTHERMIE 2000plus Seite 79

80 Kälteanlagen und Wärmepumpen - Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen: (Norm EN 378-1:2008 ; Norm EN 378-2:2008 ; Norm EN 378-3:2008 ; Norm EN 378-4:2008) Kälteanlagen und Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln der Gruppe L3. Sicherheitstechnische Anforderungen (Norm DIN 7003:1995) Klimageräte, Flüssigkeitskühlsätze, Wärmepumpen und Entfeuchter mit elektrisch angetriebenen Verdichtern zur Raumbeheizung und Kühlung - Messung von Luftschallemissionen - Bestimmung des Schallleistungspegels (Norm DIN EN 12102:2008) Kälteanlagen und Wärmepumpen - Flüssigkeitsstandanzeiger - Anforderungen, Prüfung und Kennzeichnung (Norm DIN EN 12178:2004) Kälteanlagen und Wärmepumpen - Ventile - Anforderungen, Prüfung und Kennzeichnung (Norm DIN EN 12284:2004) Energiesparende Wärmepumpen (RAL-UZ 118 (blauer Engel) 2012) Druckgeräte für Kältenanlagen und Wärmepumpen (Norm DIN EN :2006) Standards zur Vermessung von Kältesystemen Vielfach müssen die erzeugten Wärme- und Kältemengen messtechnisch erfasst werden. Hierzu gibt es u.a. folgende Standards: Leistungsmessung an raumlufttechnischen Geräten (Norm DIN 4796:2001) Wärmemengenzähler (Norm DIN EN Entwurf:2004 ; Norm DIN EN Entwurf:2005 ; Norm DIN EN :1997 ; Norm DIN EN :2007 ; Norm DIN EN :2003) Anforderungen an die Installation Kälteanlagen und Wärmepumpen; Flexible Rohrleitungsteile, Schwingungsabsorber und Kompensatoren; Anforderungen, Konstruktion und Einbau (Norm DIN EN 1736:2000) Standard für den Rückkühler Für die Leistungsabnahme der Rückkühler unter Referenzbedingungen gilt u.a. folgende Spezifikation: Wärmeaustauscher - Verfahren zur Messung und Bewertung der wärmetechnischen Leistungskenndaten von Nasskühltürmen (DIN EN 14705) Wärmeaustauscher Luftgekühlte Flüssigkeitskühler ( Trockenkühltürme ) Prüfverfahren zur Leistungsfeststellung (prdin EN 1048:2012) Wärmetechnische Abnahme- und Leistungsversuche an Trockenkühltürmen (VDI 2049: 1981) Wärmetechnische Abnahmeprüfungen an zwangsbelüfteten standardisierten Nasskühltürmen (DIN EN 13741) SOLARTHERMIE 2000plus Seite 80

81 Weitere Spezifikationen: VDI 3734, Blatt 2 (1990): Emissionskennwerte technischer Schallquellen; Rückkühlanlagen, Kühltürme Relevante Richtlinien Ökodesign-Richtlinie der EU (EU-Richtlinie 2009/125/EG; daraus folgt ErP-Richtlinie (2009); Umsetzung in Deutschland durch EVPG Energieverbrauchsrelevante Produkte-Gesetz, 2011). Ziel ist eine verbesserte Energieeffizienz und allgemeine Umweltverträglichkeit von Elektrogeräten; für solare Kühlung sind insbesondere die Effizienzvorgaben für Pumpen und Ventilatoren relevant. Darstellung und Bezeichnung von Energieflüssen Detaillierte hydraulische Pläne von solaren Kühlsystemen können äußerst komplex erscheinen. Für einen außenstehenden Betrachter sind dann das zugrunde liegende Anlagenprinzip und die Energieflussrichtungen nicht einfach zu erkennen. Deshalb wurde im Rahmen des Annex 34 "Thermally driven Heat Pumps for Heating and Cooling" und Task 44 / Annex 38 "Solar and Heat Pump Systems" der IEA ein Verfahren zur Darstellung und zur Benennung der Energieflüsse entwickelt. Dieses wird im Folgenden dargestellt. Für Ergänzungen und weitere Informationen sei auf [Fedrizzi, Malenkovic et al. 2012] 17 verwiesen. Bezeichnung von Energieflüssen Um Kennzahlen miteinander vergleichen zu können, müssen die Energieflüsse geeignet definiert werden. Dafür ist eine einheitliche Nomenklatur erforderlich, die für jeden Anwendungsfall geeignet ist. Hierfür bietet sich das Quelle-Senke-Prinzip an. Jeder Energiefluss erhält bezüglich seiner Herkunft und seines Ziels einen Buchstabencode aus zwei mal zwei bis drei Stellen. Z.B. wird die Wärme Q, die vom Sonnenkollektor (SC) zu einer Wärmepumpe (HP) mit bezeichnet. Wird dafür den Strom E zum Betreiben der Pumpe benötigt, so wird der Pumpenstrom mit bezeichnet. Abbildung 7.1 Gekürzte Darstellung der Methode einer universellen Nomenklatur nach dem Quelle/Senke-Prinzip. Quelle: [Fedrizzi, Malenkovic et al. 2012]. 17 Fedrizzi, R., Malenkovic, I. et al.: Uniform Representation of System Performance for Solar Hybrid Systems. Journal Energy Procedia, Volume 30 (73-83), 2012 SOLARTHERMIE 2000plus Seite 81

82 Abbildung 7.1 stellt diese Methode grafisch dar. Die gesamte Wärme, die vom Sonnenkollektor (SC) erzeugt wurde und auf die i Komponenten des Systems verteilt wurde, lautet. Analog ist die gesamte Wärme, die in die Wärmepumpe (HP) einströmt. Damit können alle auftretenden Energien namenstechnisch erfasst werden. Darstellung von Energieflüssen Mit der Quelle/Senke-Methode aus Abbildung 7.1 lässt sich das System im Prinzip auch durch das Ausfüllen der Matrixeinträge darstellen. In dem oben gewählten Beispiel strömt Energie von der Sonne (Su) auf den Sonnenkollektor (SC), von dort weiter zur Wärmepumpe (HP). Die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme strömt über ein Backupsystem (HP) zu einem Speicher (SS) und in die Verteilung (HD), usw. Eine noch übersichtlichere graphische Darstellung bietet aber die "Square view" in Abbildung 7.2. Auf der linken Seite stehen die gehandelten Energieformen (hier Electricity und ein weiterer Energy Carrier). Auf der rechten Seite stehen die Lasten, hier Kälte, Wärme und Brauchwasser (Cold Disbribution, Heat Distribution, DHW). Auf der Oberseite befinden sich die kostenfreien bzw. erneuerbaren Energieformen. Hier z.b. die Sonne (Sun), das Erdreich (Ground), Umgebungsluft (Air), Grundwasser (Water) und Abwärme (Waste Heat). Im Zentrum der Darstellung steht das Anlagenschema, in dem die Komponenten, z.b. Speicher (Primary Storage), Wärmepumpe (HP), Reservekessel (Hot Backup) usw. sowie deren Energieströme dargestellt sind. Auf diese Weise wird ersichtlich, wie das System funktioniert. Abbildung 7.2 Square View. Quelle: [Fedrizzi, Malenkovic et al. 2012] SOLARTHERMIE 2000plus Seite 82

83 Darstellung von hydraulischen Verschaltungen Neben den groben Energieflüssen interessiert auch die detaillierte hydraulische Verschaltung des Systems. Zu diesem Zweck wurde für eine standardisierte Darstellung ein generisches Schema (Generic System) entwickelt. Abbildung 7.3 zeigt dieses an einem Beispiel. Ausgangspunkt ist die thermisch angetriebene Kälteanlage mit ihren drei hydraulischen Kreisen (Heißwasser, Kühlwasser, Kaltwasser). Für jeden Kreis gibt es jeweils unterschiedliche Möglichkeiten für die Wahl der Wärmequelle bzw. Wärmesenke, eines Wärmeübertragers, der Integration eines Speichers und eines Backupsystems. Die drei hydraulischen Kreise lassen sich dann durch Elemente in Kachelform systematisch zusammenstellen, wobei es für jede Kachel unterschiedliche Elemente gibt. So könnte z.b. für den Sonnenkollektor ein Flachkollektor, ein Vakuumröhrenkollektor, ein Parabolrinnenkollektor o.ä. zum Einsatz kommen, repräsentiert jeweils durch ein anderes Kachelelement. In dem gewählten Beispiel ist im Heißwasserkreis ein Flachkollektor installiert, der über einen Wärmeübertrager vom Heißwasserspeicher getrennt ist. Als Backupsystem ist des Weiteren ein Gasbrenner installiert. Im Kühlwasserkreis ist ein offener Rückkühler angeschlossen, der ohne Wärmeübertrager oder sonstige Elemente direkt an den Kühlwasserkreis der TKM angeschlossen ist. Im Kaltwasserkreis befindet sich eine Kältelast, die über einen hydraulischen Mischer mit der Absorptionskältemaschine verbunden ist. Abbildung 7.3 Generic System. Quelle: [Becker, Helm, Schweigler 2009] Nachteilig an dieser Art der Darstellung ist, dass Querverbindungen zwischen den Kreisen nur schwierig darzustellen sind. Beispielsweise könnte in dem gewählten Beispiel auch ein direktes Kühlen möglich sein, also eine hydraulische Verbindung zwischen der Kältelast und dem Rückkühler existieren. Die Vielzahl dieser Querverbindungen ist in dieser Darstellungsweise nur schwer darzustellen. Dafür eignet sich die Square-View besser. Dagegen können Details der hydraulischen Verschaltung, z.b. die genaue Anbindung des Backupkessels (hier SOLARTHERMIE 2000plus Seite 83

84 parallel zum Wärmespeicher) besser dargestellt werden. Für weitere Details sei auf [Becker, Helm, Schweigler 2009] 18 verwiesen. Kennzahlen zur Bewertung von solaren Kühlsystemen Wenn Kennwerte unterschiedlicher Systeme miteinander verglichen werden sollen, stellt sich die Frage, wie diese definiert sind. Werden Leistungszahlen oder Arbeitszahlen verglichen? Welche Energieformen (Strom, Wärme, Kälte, Gas, ) werden betrachtet? Welche Komponenten befinden sich innerhalb der Systemgrenzen? Handelt es sich um Labormessungen oder Betriebsmessungen? Im Rahmen von Annex 34 wurde hierfür eine einheitliche Nomenklatur aus bestehenden Normen zur Kompressionstechnik abgeleitet: Wird Wärme erzeugt, so wird vom COP (Coefficient of Performance) gesprochen, bei der Produktion von Kälte wird der Begriff EER (Energy Efficiency Ratio) verwendet. Handelt es sich um Leistungszahlen, so werden der COP und der EER verwendet, handelt es sich um Arbeitszahlen, so wird vom saisonalen COP (seasonal COP, SCOP) bzw. vom saisonalen EER (seasonal EER, SEER) gesprochen. Wird die Kälte- oder Wärmeproduktion im Verhältnis zum Stromverbrauch betrachtet, so wird der Index "el" beigefügt, bezieht sich die Produktion dagegen auf die eingesetzte Antriebswärme, wird der Index "th" verwendet. (Beispiel COP th, SEER el) 19. Des Weiteren wird eine Primärenergieeffizienz (PER, Primary Energy Ratio) definiert, wenn unterschiedliche Energieformen zum Antrieb des Systems verwendet werden. Systemgrenzen bei der Bewertung von solaren Kühlsystemen Neben den eigentlichen Kennzahlen wurden im Annex 34 auch fünf verschiedene Systemgrenzen definiert: Ebene 1: Diese Ebene betrachtet das Gesamtsystem in seiner grobsten Form innerhalb des Gebäudes. Es werden die Nutzenergien im Verhältnis zu den eingesetzten Energien inkl. der Energieverteilung im Gebäude betrachtet. Ebene 2: In dieser Ebene wird die Verteilung der Nutzenergie nicht mehr mit in die Bilanzgrenze einbezogen. Es wird also nur betrachtet, wie die Versorgungsanlage funktioniert, nicht aber das Verteilsystem. Ebene 3: Auf dieser Ebene werden die Energiewandlungsprozesse betrachtet, wobei die Effizienz der Speicher ausgeschlossen wird. Dadurch wird das Nutzerverhalten weitgehend aus der Bewertung ausgeschlossen und die Effizienz der Einzelkomponenten tritt in den Vordergrund. Ebene 4: Diese Ebene betrachtet die Energieumsätze auf Komponentenebene, wobei alle Energieformen betrachtet werden. Ebene 5: Auf dieser Ebene wird jede Komponente einzeln betrachtet, unterteilt in verschiedene Energieformen. Für weitere Informationen siehe [Albers, Aprile et al. 2013] Becker, M., Helm, M., Schweigler, Chr.: Coll tio of s l t d syst ms s m s i yst ms. task-report in IEA SHC-Task 38, Abrufbar unter (Stand 02/2013) 19 Im L itfad wi d a f d Z sat t v rzichtet; siehe Definition der Arbeits-/Leistungszahl S.4 SOLARTHERMIE 2000plus Seite 84

85 Weitere Informationen Es existiert eine große Anzahl an Veröffentlichungen zum Thema solare Kühlung und Solarthermie, die zu den periodischen Fachtagungen zu diesem Themenkreis sowie in Fachzeitschriften aufbereitet wurden. Es würde den Rahmen dieses Leitfadens sprengen, auch nur die wichtigsten Beiträge aufzulisten. Stellvertretend sind hier als informative Quellen für Fachbeiträge die Tagungsbände der folgenden Tagungen genannt: International Conference Solar Air-Conditioning Diese Tagung wird alle zwei Jahre vom Ostbayrischen Technologie-Transfer-Institut e.v. (OTTI) organisiert. Die 4. Tagung fand vom Oktober 2011 in Larnaka, Zypern, statt. Die 5 th International Conference Solar Air-Conditioning wird vom September 2013 in Bad Krozingen, Deutschland, durchgeführt. Anfragen für Tagungsbände: info@energiefachbuchhandel.de Symposium Thermische Solarenergie Diese Tagung findet jährlich im Mai im Kloster Banz in Staffelstein statt und ist die größte deutschsprachige solarthermische Tagung. Organisation: Ostbayrisches Technologie-Transfer-Institut e.v. (OTTI) Anfragen für Tagungsbände: info@energiefachbuchhandel.de EuroSun Europäische Solarenergie-Konferenz der International Solar Energy Society (ISES), Europe. Die Tagung findet im zweijährigen Abstand statt. Tagung der EuroSun2012: September 2012, Rijeka/Opatija, Kroatien. International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry (SHC Conference) Seit 2012 jährliche Tagung unter dem Dach des Solar Heating and Cooling Programme (SHC) der Internationalen Energieagentur IEA. Die erste Konferenz fand 2012 in San Francisco statt; die zweite Konferenz wird vom September 2013 in Freiburg durchgeführt. Es existiert außerdem eine Anzahl von Buchveröffentlichungen zum Thema solare und thermisch angetriebene Kühlung. Auch hier nur auszugsweise einige Beispiele: Solar assisted air-conditioning in buildings a handbook for planners. Editor: Hans-Martin Henning. Springer Wien New York. Zweite Auflage ISBN Derzeit ist eine vollständige Neubearbeitung des Handbuchs in Vorbereitung mit dem Titel: Solar Cooling Handbook A Guide to Solar Assisted Cooling and Dehumidification Processes. Editoren: Hans-Martin Henning, Mario Motta, Daniel Mugnier. Springer Wien New York. Dritte Auflage; Erscheinungsdatum: April ISBN Albers, J., Aprile, M. et al.: Annex 34 Thermally driven heat pumps for heating and cooling, Final Report SOLARTHERMIE 2000plus Seite 85

86 Kühlen und Klimatisieren mit Wärme. BINE-Fachbuch (Nachdruck 2012). Fraunhofer IRB-Verlag. ISBN Autoren: Hans-Martin Henning, Thorsten Urbanck u.a. Es gibt und gab zahlreiche Projekte zur solaren Kühlung mit EU-Förderung. Die umfangreichsten Aktivitäten auf internationaler Ebene stellen jedoch die Tasks im Solar Heating and Cooling Programme (SHC) der internationalen Energieagentur IEA dar; darunter sind die folgenden Vorhaben: Im Task 38 Solar Air-Conditioning & Refrigeration sind zahlreiche Dokumentationen zu Anlagenbetrieb und zu vielfältigen Aspekten der solaren Kühlung aufbereitet worden. Der Task wurde in 2010 beendet. Abrufbar unter Im Task 48 Quality Assurance & Support Measures for Solar Cooling Systems liegt der Schwerpunkt der Aktivitäten im Bereich Qualitäts- und marktunterstützender Maßnahmen. Der Task läuft bis Eine Zusammenfassung zum Status der solaren Kühlung in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht gibt auch das Solar Cooling Position Paper, das im Task 38 veröffentlicht wurde (Oktober 2011) und auf der oben genannten Internet-Seite des Task 38 abrufbar ist. Seit 2009 haben sich mehrere deutsche und ein österreichisches Unternehmen im Marktbereich von Sorptionskälteanlagen zum Industrieverband greenchiller Verband für Sorptionskälte zusammengeschlossen, um das Thema thermisch angetriebene Kältebereitstellung geschlossener darzustellen und die Marktentwicklung zu fördern. Hinweise zu Broschüren speziell zum Thema Solare Prozesswärme: Process Heat Collectors State of the Art within Task 33/IV Broschüre zur solaren Prozesswärme aus dem IEA SHC-Task 33 und Solar Paces-Task iv: Solar Heat for Industrial Processes (2008). Editoren: Werner Weiss, Matthias Rommel. Solar Process Heat Generation: Guide to Solar Thermal System Design for Selected Industrial Processes. Broschüre aus dem EU-Projekt SO-PRO Solar Process Heat (2011). Autoren: Stefan Heß, Axel Oliva. SOLARTHERMIE 2000plus Seite 86

87 Anhang SOLARTHERMIE 2000plus Seite 87

88 A1 Beispiel: Kenndaten einer Absorptionskältemaschine Beispiel für Nenndaten einer Absorptionskältemaschine mit 83 kw Nennkälteleistung (oben) sowie Kälteleistung und Wärmeverhältnis einer Maschine gleicher Bauart mit 54 kw Nennkälteleistung in Abhängigkeit der Kaltwassertemperatur (unten). Dabei wurde die Heißwassereintrittstemperatur variiert; die Kühlwassereintrittstemperatur ist konstant 27 C. Daten- und Bildquelle: EAW Energieanlagenbau Westenfeld GmbH ( SOLARTHERMIE 2000plus Seite 88