Solare Kühlung: Erfolgreiche Anlagenbeispiele

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1 Solare Kühlung: Erfolgreiche Anlagenbeispiele

2 EIE/06/034/SI SOLAIR Work package 2: Market review and analysis of small and medium sized solar air-conditioning (SAC) applications Task 2.2: Preparation of a web based database of best available examples Deutsche Fassung des : Erfolgreiche Anlagenbeispiele 17. November 2008 Version Einführung Technologien Kaltwassersysteme Offene Prozesse Solarthermische Kollektoren SOLAIR Datenbank für solares Kühlen und solare Klimatisierung SOLAIR Anlagenbeispiele Anlagenbeispiele in ÖSTERREICH Anlagenbeispiele in FRANKREICH Anlagenbeispiele in DEUTSCHLAND Anlagenbeispiele in GRIECHENLAND Anlagenbeispiele in ITALIEN Anlagenbeispiele in PORTUGAL Anlagenbeispiele in SPANIEN Solares Kühlen: Beispiele für erweiterte Konzepte...64

3 Editor: Edo Wiemken, Fraunhofer ISE, unter Mitwirkung der Partner im Projekt. Die Anlagenbeispiele wurden der von target GmbH grafisch aufbereiteteten Internet- Präsentation entnommen SOLAIR wird koordiniert von: target GmbH, Deutschland Partner des SOLAIR Konsortium: AEE Institut für Nachhaltige Technologien, Österreich Fraunhofer Institut für Solare Energie Systeme ISE, Deutschland Instituto Nacional de Engenharia, Technologia e Innovação INETI, Portugal Politecnico di Milano, Italien Universität Ljubljana, Slovenien AIGUASOL, Spanien TECSOL, Frankreich Federation of European Heating and Air-conditioning Associations RHEVA, Niederlande Centre for Renewable Energy Sources CRES, Griechenland Ente Vasco de la Energia EVE, Spanien Provincia di Lecce, Italien Ambiente Italia, Italien SOLAIR wird unterstützt von Die alleinige Verantwortung für den Inhalt dieses Berichts liegt bei den Autoren. Er reflektiert nicht notwendigerweise die Position der Europäischen Kommission. Die Europäische Kommission trägt keine Verantwortung für jeglichen Gebrauch der im Bericht enthaltenen Informationen. 2

4 1 Einführung In fast allen europäischen Ländern wurde eine beträchtliche Steigerung des Bedarfs an Gebäudekühlung und klimatisierung festgestellt; weitere Steigerungen werden für die folgenden Jahrzehnte prognostiziert. Die Gründe für diese Steigerung sind vielfältig: erhöhte Komfortansprüche, derzeit niedrige Energiekosten, architektonische Trends wie erhöhter Glasanteil in Gebäuden und nicht zuletzt eine langsame Änderung in den klimatischen Bedingungen. Dieser steigende Bedarf an Klimatisierung in Gebäuden impliziert eine unerwünschte Zunahme im Verbrauch fossiler Brennstoffe und trägt zu Stabilitätsproblemen in der Energieversorgung mediterraner Länder bei; dies wiederum verlangt einen kostenintensiven Ausbau der Stromversorgung, um Verbrauchsspitzen abzufedern. Verbesserte Gebäudekonzepte mit Zielsetzung auf Reduktion der Kühllasten durch passive und innovative Konzepte und die Nutzung von Alternativen zur Deckung verbleibender Kühllasten im Gebäude sind daher von Interesse. Solar betriebene oder solar unterstützte Kühlung ist eine der Möglichkeiten innerhalb dieser Maßnahmen. Im Kontext des SOLAIR Projektes wird solare Kühlung und solare Klimatisierung in thermisch betriebenen Prozessen betrachtet. Diese Technologien können Beiträge leisten - zum Ersatz fossiler Brennstoffe durch die Nutzung solarer Wärme und dadurch zu den politischen Zielen Europas zur Erhöhung der Nutzung erneuerbarer Energien; - zur Reduktion der Treibhausgas-Emissionen sowohl durch Primärenergie-Einsparung als auch durch die Vermeidung umweltschädlicher Kühlmittel; - zur geringeren Belastung elektrischer Versorgungsnetze hinsichtlich Energiebezug und Leistungsbedarf; - zur optimierten Nutzung solarthermischer Systeme durch umfassende Nutzung solarer Wärme für Heizungsunterstützung, Kühlung und Brauchwasserbereitstellung. Das SOLAIR Projekt stellt Materialien zur solaren Kühlung auf unterschiedlichen Informationsniveaus zur Verfügung. In diesem Katalog werden Beispiele zu empfehlenswerten Anwendungen der solaren Kühlung und Klimatisierung aus der SOLAIR-Datenbank vorgestellt. Viele dieser Beispielsysteme wurden erst ein oder zwei Jahre vor Fertigstellung dieses Katalogs in Betrieb genommen; Langzeiterfahrungen gibt es daher noch nicht. Die Definition Erfolgreiche Anlagenbeispiele bezieht sich folglich auf ein angemessenes Systemkonzept und auf vielversprechende Ansätze zu solarem Kühlen. Der Katalog zielt darauf, die Anwendung von Techniken zur solaren Kühlung in verschiedenen Gebäudetypen, an unterschiedlichen Orten und mit unterschiedlichen technischen Lösungen zu präsentieren. Zu Anfang wird ein kurzer Überblick über die Techniken der solaren Kühlung und Klimatisierung gegeben, danach folgt die Präsentation der Anlagenbeispiele entsprechend der Darstellung auf der Internet-Seite des Projektes (in englischer Sprache). 3

5 Zusätzliche Informationen zu den Anlagen in der SOLAIR Datenbank stehen im länderübergreifenden Bericht zur Verfügung, der im Projekt angefertigt wurde; zugänglich von der umfassenden Internetseite des Projektes. Von dieser Internetseite aus kann auch auf die Planungshinweise zur solaren Kühlung zugegriffen werden, die als weiteres Dokument im Projekt erstellt wurden (Requirements on the design and configuration of small and medium sized solar air-conditioning (SAC) appliances Guidelines). Dort sind generelle, planungsunterstützende Hinweise und Empfehlungen zum Themenkomplex solare Kühlung zusammengefasst. Weitere in SOLAIR erarbeitete Dokumente sind Trainingseinheiten zur solaren Kühlung. Der Internetseite von SOLAIR können Beispiele für Trainingseinheiten in englischer Sprache entnommen werden, um sich daran orientierend individuell angepasste Informationsund Trainingseinheiten aufzubauen. SOLAIR im Internet: 4

6 2 Technologien Der Schwerpunkt in SOLAIR liegt auf Systemen der solaren Kühlung und Klimatisierung im kleinen bis mittleren Leistungsbereich. Die Klassifizierung in klein und mittel orientiert sich an den vorhandenen Produkten zur Kälteerzeugung mit thermischen Antrieb; kleine Anwendungen in diesem Sinne sind Systeme mit einer Nennkälteleistung unter 20 kw, Systeme mittlerer Größe werden hier auf 100 kw Nennkälteleistung begrenzt. Systeme kleiner Leistungsbereiche sind derzeit thermisch angetriebene geschlossene Kaltwassersysteme, wohingegen Systeme mittlerer Größe auch die offene Luftkonditionierung mittels sorptionsgestützter Klimatisierung (SGK bzw. DEC von desiccant evaporative cooling ) einschließen. Während in geschlossenen Systemen Wasser im geschlossenen Kreislauf zur Abführung der Wärmelasten genutzt wird, wird bei offenen Systemen die Zuluft direkt im offenen Prozess gekühlt und zudem entfeuchtet. In Abbildung 2.1 sind die zwei Technologien dargestellt. Natürlich sind auch Anwendungen, die eine Kombination beider Technologien nutzen, möglich. In Kaltwassersystemen kann das zentrale Kaltwasserverteilungsnetz sowohl dezentrale Kühleinheiten wie Kühlkonvektoren (meist mit Entfeuchtung), Kühldecken, -wände oder -böden versorgen als auch zur Zuluftkühlung zentraler Lüftungssysteme dienen. Die benötigte Kühlwassertemperatur hängt von der jeweiligen Nutzung ab und ist wichtig für die Auslegung und Konfiguration des Systems. Die Endgeräte liegen jedoch nicht im Fokus von SOLAIR und werden daher hier nicht detaillierter vorgestellt. Abbildung 2.2 zeigt, dass ein thermisch angetriebener Kühlprozess auf drei verschiedenen Temperaturniveaus arbeitet: die Antriebswärme Q heat stellt Wärme auf dem Temperaturniveau T H zur Verfügung, die Verdampfungswärme ist die dem Kältekreis entzogene Wärme, auch bezeichnet als Nutzkälte Q cold auf einem Temperaturniveau T C. Beide Wärmemengen zusammen (Q reject ) müssen auf einem mittleren Temperaturniveau T M an die Umgebung abgeführt werden. Die Antriebswärme Q heat kann durch ein angemessen dimensioniertes thermisches Kollektorsystem, entweder allein oder in Kombination mit Hilfsenergiequellen, bereit gestellt werden. Während in offenen Systemen die Rückkühlung mit dem Luftstrom im System integriert ist, werden in geschlossenen Systemen externe Rückkühlsysteme wie z.b. Kühltürme benötigt. Die Art der Rückkühlung ist in letzter Zeit mehr in den Blickpunkt gerückt, da diese Komponente gewöhnlich für einen beträchtlichen Teil des verbleibenden elektrischen Hilfsenergieverbrauchs thermisch angetriebener Kältesysteme verantwortlich ist. Eine grundlegende Größe zur Beschreibung der Güte thermischer Prozesse ist das Wärmeverhältnis (Coefficient of performance, COP). Dieses ist definiert als COP = Q cold / Q heat, und kennzeichnet die produzierte Kälte (genauer: die dem Kältekreis entzogene Wärme) pro eingesetzter Einheit Wärme. Der COP und die Kühlleistung hängen stark von den Temperaturniveaus T H, T C und T M ab. Diese Abhängigkeit wird genauer z.b. in [Henning, 2006] behandelt. 5

7 Bei marktverfügbaren, thermisch betriebenen Kältemaschinen liegt der COP bei Nennbedingungen zwischen 0,5 und 0,8 bei einstufigen Maschinen und bei bis zu 1,4 in zweistufigen Maschinen. In offenen sorptionsgestützten Kühlsystemen ist die Prozessgüte schwieriger anzugeben, da er stärker von den Betriebsbedingungen abhängt. Es ist sinnvoll hierfür einen COP nur für den Kühlbetriebsmodus zu definieren, da in diesem Betriebsmodus Wärme benötigt wird. Der Kälteeffekt wird hier über die Enthalpiedifferenz zwischen Umgebungsluft und Zuluft berechnet. Erfahrungen von DEC-Anlagen haben gezeigt, dass COP-Werte vergleichbar zu einstufigen Kältemaschinen erreicht werden können. ~18 C Chilled ceiling Heat > 60 C Supply air Thermally driven Chiller 16 C - 18 C (< 12 C) 6 C - 9 C Chilled water temperature Fan coil Cooled / Conditioned area Heat > 50 C Return air Supply air Desiccant evaporative cooling (DEC) Conditioned area Abbildung 2.1 Grundschemata der Technologien für thermisch angetriebene Kühlung und Klimatisierung. In der oberen Abbildung wird das Kaltwasser im geschlossenen Kreislauf für verschiedene dezentrale Anwendungen oder für die Zuluftkühlung produziert. In der unteren Abbildung wird die Zuluft direkt gekühlt und entfeuchtet. Quelle: Fraunhofer ISE. 6

8 Q heat T H T M Q reject T C Q cold Abbildung 2.2 Grundschema eines thermisch angetriebenen Kühlprozesses. Die Technologien werden im Folgenden kurz dargestellt. In beiden Systemen wird Wärme für einen kontinuierlichen Betrieb benötigt. Bei den in SOLAIR betrachteten Anwendungen wird die Wärme zumindest zum großen Teil durch ein solarthermisches Kollektorsystem bereitgestellt. 2.1 Kaltwassersysteme Absorptionskältemaschinen Die dominierende Technologie thermischer Kältemaschinen basiert auf Absorption. Der grundlegende Prozess der Absorption läuft zwischen mindestens zwei chemischen Komponenten ab, wovon die eine als Kältemittel, die andere als Absorptionsmittel dient. Die Hauptkomponenten einer Absorptionskältemaschine werden in Abbildung 2.3 gezeigt. Der Prozess ist gut dokumentiert, z.b. in [ASHRAE, 1988], daher wird an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen. Die Mehrheit der Absorptionskältemaschinen nutzt Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid als Absorptionsmittel, aber auch Ammoniak und Wasser wird verwendet. Typische Kälteleistungen liegen bei einigen Hundert kw. Die Maschinen werden hauptsächlich mit Abwärme, Fernwärme oder Wärme aus Kraft-Wärmekopplungsanlagen betrieben. Die benötigte Antriebstemperatur liegt gewöhnlich über 85 C und typische COP-Werte liegen zwischen 0,6 und 0,8. Bis vor einigen Jahren war die kleinste verfügbare Kältemaschine ein japanisches Produkt mit einer Nennkälteleistung von 35 kw. Zweistufige Absorptionsprozesse mit zwei Generatoren benötigen höhere Antriebstemperaturen ab 140 C, sie weisen dafür einen höheren COP > 1 auf. Die kleinste verfügbare Kältemaschine dieses Typs hat eine Nennleistung von 170 kw. Auf Grund der hohen benötigten Antriebstemperaturen erfordert eine solche Maschine in Kombination mit Solarthermie ein konzentrierendes Kollektorsystem. Dies ist eine Möglichkeit für Klimazonen mit generell hohen solaren Einstrahlungssummen sowie einem hohen Anteil an Direktstrahlung. 7

9 hot water (driving heat) cooling water GENERATOR CONDENSER ABSORBER EVAPORATOR cooling water chilled water Abbildung 2.3 Schema einer thermisch angetriebenen Kältemaschine. Verglichen mit einer konventionellen Kompressionskältemaschine wird die mechanische Kompression durch eine thermische Kompressionseinheit mit Absorber und Generator ersetzt. Der Kälteeffekt basiert auf der Verdampfung des Kältemittels (z.b. Wasser) im Verdampfer bei niedrigen Drücken. Auf Grund der Eigenschaften des Phasenwechsels können große Wärmemengen übertragen werden. Der Kältemitteldampf wird im Absorber absorbiert und reichert so die Kältemittel/Absorbtionsmittel-Lösung an Kältemittel an. Die dabei freiwerdende Sorptionswärme muss über das Kühlwasser abgeführt werden. Die Lösung wird kontinuierlich in den Generator gepumpt, wo das Kältemittel durch die Antriebswärme (meistens heißes Wasser) wieder aus der Lösung ausgetrieben wird. Das aus dem Generator austretende Kältemittel wird im Kondensator mittels Kühlwasser kondensiert und zirkuliert durch eine Drossel wieder in den Verdampfer. In letzter Zeit hat sich die Marktsituation auf Grund einer Anzahl neuer Kältemaschinen- Produkte im kleinen und mittleren Leistungsbereich geändert. Im Allgemeinen sind sie auf niedrige Antriebstemperaturen ausgelegt und daher für den Betrieb mit stationären solarthermischen Kollektoren geeignet. Die niedrigste verfügbare Nennkälteleistung ist derzeit 4.5 kw. Einige Beispiele kleiner und mittlerer Absorptionskältemaschinen sind in Abbildung 2.4 aufgeführt (ohne Anspruch auf Vollständigkeit). Zusätzlich zu den traditionellen Arbeitsstoffen H 2 O/LiBr werden auch H 2 O/LiCl und NH 3 /H 2 O eingesetzt. Der Einsatz des letzteren Arbeitsmittelpaars mit Ammoniak als Kältemittel ist relativ neu im Bereich Gebäudekühlung; diese Technologie wurde hauptsächlich für industrielle Kühlprozesse unter 0 C mit hohen Nennleistungen genutzt. Ein Vorteil dieses Kältemaschinentyps ist vor allem in Anwendungen gegeben, bei denen ein hoher Temperaturhub (T M T C ) notwendig ist. Das ist zum Beispiel der Fall in Gebieten mit Wasserknappheit, wo trotz hoher Umgebungstemperaturen die Rückkühlung trocken erfolgen muss. 8

10 Abbildung 2.4a Beispiele kleiner Absorptionskältemaschinen mit Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid als Sorptionsmittel. Links: Kältemaschine mit einer Nennleistung von 4.5 kw des spanischen Herstellers Rotartica. Das Gerät wird in Varianten mit integriertem Luftkühler und für externe Rückkühlung angeboten. Mitte: 10 kw Kältemaschine des deutschen Herstellers Sonnenklima. Merkmal dieser Maschine ist ein sehr vorteilhaftes Teillastverhalten. Rechts: Kältemaschine mit einer Nennleistung von 15 kw, hergestellt von der deutschen Firma EAW; diese Maschine ist auch mit Nennleistungen von 30 kw, 54 kw, 80 kw und darüber erhältlich. Quellen: Rotartica, Sonnenklima, EAW. Abbildung 2.4b Weitere Beispiele für Absorptionskältemaschinen. Links: Ammoniak-Wasser Absorptionskältemaschine mit 12 kw Nennkälteleistung der österreichischen Firma Pink. Mitte: Diese Kältemaschine nutzt Wasser als Kältemittel und Lithiumchlorid als Sorptionsmittel. Die Kristallisationsphase des Sorptionmaterials wird ebenfalls genutzt als interner Energiespeicher. Die Nennleistung beträgt etwa 10 kw; die Maschine wurde von ClimateWell, Schweden, entwickelt und kann auch als Wärmepumpe betrieben werden. Rechts: Absorptionskältemaschine mit dem Arbeitsstoffpaar H 2 O/LiBr und einer Nennleistung von 35 kw von Yazaki, Japan. Diese Kältemaschine wird oft in solaren Kühlsystemen eingesetzt, da sie einige Jahre lang die kleinste in Europa verfügbare Kältemaschine war, die mit solarer Wärme betrieben werden konnte. Kürzlich kam eine kleinere Version mit 17,5 kw Nennkühlleistung desselben Herstellers auf den Markt. Quellen: Pink, Climate- Well, Yazaki. 9

11 Adsorptionskältemaschinen Neben Prozessen, die flüssige Sorptionsmittel einsetzen, sind auch Maschinen mit festen Sorptionsmitteln erhältlich. Das feste Sorptionsmittel adsobiert das Kältemittel durch Oberflächeneffekte am Sorptionsstoff und desorbiert es unter Wärmeeintrag. Ein quasikontinuierlicher Betrieb verlangt mindestens zwei Kammern mit Sorptionsmaterial, die wechselweise zwischen Adsorption und Desorption betrieben werden. Abbildung 2.5 zeigt die Komponenten einer Adsorptionskältemaschine. Marktverfügbare Systeme nutzen Wasser als Kältemittel und Silikagel als Sorptionsmittel; an Prozessen mit Zeolithen als Sorptionsmaterial wird derzeit verstärkt geforscht. CONDENSER cooling water 2 1 cooling water hot water (driving heat) EVAPORATOR chilled water Abbildung 2.5 Schema einer Adsorptionskältemaschine. Wesentliche Bestandteile sind zwei Kammern mit Sorptionsmittel, ein Verdampfer und ein Kondensator. Als Kältemittel wird Wasser eingesetzt. Das Kältemittel gelangt aus dem Kondensator in den Verdampfer und verdampft dort bei sehr niedrigen Temperaturen wegen des sehr niedrigen Drucks im Verdampfer. Dabei wird dem externen Kaltwasserkreis, der durch den Wärmeübertrager innerhalb des Verdampfers fließt, Wärme entzogen, es wird die Nutzkälte erzeugt. Der Kältemitteldampf wird in einer der mit Sorptionsmittel ausgestatteten Kammern adsorbiert. Diese Kammer muss gekühlt werden, um die freiwerdende Sorptionswärme abzuführen. Gleichzeitig wird in der zweiten Kammer das Kältemittel desorbiert (Austreibung von Wasser in Dampfphase) mittels heißen Wassers einer externen Wärmequelle, z.b. eines Solarkollektors. Der desorbierte Wasserdampf wird im Kondensator durch Kühlwassereinsatz kondensiert und gelangt wieder in den Verdampfer. Die Kammern wechseln periodisch ihre Funktion zwischen Adsorber und Desorber. Normalerweise wird dies durch ein außerhalb befindliches Ventil gesteuert. Typische Periodenlängen zwischen den Betriebsumschaltungen liegen zwischen 5 und 10 Minuten. Gegenwärtig produzieren nur wenige Hersteller aus Japan, China und Deutschland Adsorptionskältemaschinen; eine deutsche Firma ist seit 2007 mit kleinen Maschinen auf dem Markt vertreten und bietet seit 2008 die Geräte in Leistungsklassen mit 7,5 kw und 15 kw Nennkälteleistung an. Ein weiteres deutsches Unternehmen steht seit 2008 mit Prototypen im Bereich 5 kw 10 kw kurz vor der Markteinführung. Typische COP-Werte von Adsorptionskältemaschinen liegen zwischen 0,5 und 0,65. Vorteile der Kältemaschinen sind die niedrigen Antriebstemperaturen, die bei 60 C beginnen, die Abwesenheit einer Lösungspumpe und ein vergleichsweise lautloser Betrieb. Abbildung 2.6 zeigt zwei Adsorptionskältemaschinen als Beispiel. 10

12 Ein weiterer Überblick über thermisch angetriebene Kältemaschinen findet sich in [Mugnier et al., 2008]. Abbildung 2.6 Beispiele von Adsorptionskältemaschinen. Links: Kältemaschine mit 70 kw Nennleistung des japanischen Herstellers Nishyodo. Adsorptionskältemaschinen ähnlicher Nennleistungen sind auch bei dem japanischen Hersteller Mayekawa erhältlich. Rechts: Adsorptionskältemaschine mit etwa 7,5 kw Nennleistung von der Firma SorTech, Deutschland. Quelle: SorTech. 2.2 Offene Prozesse Während thermisch angetriebene Kältemaschinen Kaltwasser erzeugen, das beliebigen Systemen der Gebäudekühlung zugeführt werden kann, dienen offene Systeme der direkten Luftkonditionierung. Die Verfahren basieren auf einer Kombination von direkter und indirekter Verdunstungskühlung und der Entfeuchtung mit einem Trockenmittel, d.h. einem hygroskopischen Material. Wiederum können sowohl flüssige als auch feste Materialien für diesen Zweck eingesetzt werden. Der Standard-Prozess, der gegenwärtig am häufigsten zur Anwendung kommt, nutzt Sorptionsrotoren, die entweder mit Silikagel oder Lithium-Chlorid als Sorptionsmittel ausgestattet sind. Alle eingesetzten Komponenten in der sorptionsgestützten Klimatisierung sind handelsübliche Komponenten, die schon viele Jahre in der Luftkonditionierung und trocknung in Gebäuden und Fabriken eingesetzt werden. Entscheidend für den Aufbau eines Gesamtsystems der (solar angetriebenen) sorptionsgestützten Klimatisierung ist allerdings die sorgfältige Abstimmung und Kombination der Komponenten und die Ausarbeitung einer angepassten Regelstrategie. Der Standard-Prozess mit Sorptionsrotor ist in Abbildung 2.7 dargestellt. Die Anwendung dieses Prozesses ist auf gemäßigte Klimazonen beschränkt, da Entfeuchtungs- und Kühlleistung für extremere Standorte, z.b. im südlichen Mittelmeerraum, nicht ausreichend sind und andere Schaltungsvarianten gewählt werden müssen. Systeme mit flüssigen Sorptionsmitteln bieten einige Vorteile im Vergleich zur offenen Feststoffsorption wie höhere Entfeuchtung und die Möglichkeit der internen Energiespeicherung mittels aufkonzentriertem Sorptionsmittel. Die Regenerationstemperatur für 11

13 die Lösung ist vergleichbar niedrig wie in der Feststoffdesorption. Systeme mit Flüssigsorption in offener Luftkonditionierung stehen kurz vor der Markteinführung. Verschiedene Demonstrationsanlagen wurden gebaut, um die Anwendbarkeit dieser Technologie für solar unterstützte Klimatisierung zu prüfen. Ein Grundschema einer Luftkonditionierung mit flüssigem Sorptionsmittel ist in Abbildung 2.8 dargestellt. backup heater humidifier return air 7 6 cooling loads supply air dehumidifier wheel heat recovery wheel Abbildung 2.7 Schema einer solarthermisch betriebenen sorptionsgestützten Klimatisierung (SGK oder engl. Desiccant Evaporative Cooling system (DEC)), mit Sorptionsrotor und Wärmerückgewinnungsrotor (Quelle: Fraunhofer ISE). Unten: Längsschnitt einer SGK Einheit (Quelle: Munters). Der Prozess im Luftstrom läuft in folgenden Schritten ab: Sorptive Entfeuchtung der Zuluft; dieser Prozess ist annähernd adiabatisch und die Luft wird durch die freiwerdende Sorptionswärme erhitzt. Vorkühlung der Zuluft mit der Abluft des Gebäudes durch einen Wärmerückgewinnungsrotor Kühlung und Befeuchtung der Zuluft auf die gewünschte Zuluftfeuchte und Zulufttemperatur mittels Verdunstungskühlung Dieser Wärmeübertrager wird nur in der Heizsaison zur Vorwärmung der Luft genutzt. Geringe Temperaturerhöhung durch den Ventilator Die Temperatur und die Feuchte der Zuluft werden durch interne Lasten erhöht. Die Abluft des Gebäudes wird durch Verdunstungskühlung auf eine Temperatur nahe der Sättigung gebracht; damit wird das Potenzial der Anlage weitgehend ausgeschöpft Die Abluft wird im Gegenstrom durch die Zuluft vorgewärmt. Dies geschieht durch hocheffiziente Luft-Luft-Wärmeübertrager, z.b. durch einen Wärmerückgewinnungsrotor. 12

14 9 10 Die Regenerationswärme wird zum Beispiel durch ein solares Kollektorsystem bereitgestellt Das in den Poren des Sorptionsmaterials auf dem Entfeuchtungsrotor gebundene Wasser wird durch warme Luft desorbiert Abluft wird an die Umgebung mittels eines Abluftventilators abgegeben. Regenerator regeneration air Q H concentrated solution driving heat LiCl/water solution storage supply air Absorber Q M rejected heat diluted solution Abbildung 2.8 Allgemeines Schema eines Kühlsystems mit Flüssigsorption. Die Zuluft wird in einer speziell konfigurierten Sprüheinheit des Absorbers entfeuchtet; die dort versprühte konzentrierte Salzlösung wird entsprechend durch Wasseraufnahme aus der Zuluft verdünnt. Die Effizienz des Prozesses wird durch gleichzeitige Kühlung erhöht. Dies kann z.b. mittels indirekter Verdunstungskühlung durch die Abluft und Wärmerückgewinnung realisiert werden. Eine anschliessende Verdunstungskühlung der Zuluft kann falls nötig durchgeführt werden (Wärmerückgewinnung und Verdunstungskühlung ist nicht in der Abbildung dargestellt). In einem Regenerator wird Wärme (z.b. aus einem Solarkollektor) dazu verwendet, die Sole wieder zu konzentrieren. Sowohl die konzentrierte als auch die verdünnte Sole können zwischengespeichert werden, sodass eine gewisse zeitliche Entkopplung von Kühlung und Regeneration realisiert werden kann. Quelle: Fraunhofer ISE. Generell sind sorptionsgestützte Klimatisierungen eine interessante Möglichkeit, wenn zentrale Lüftungsysteme mit Zu- und Abluft in Gebäuden mit hoher Dichtigkeit der Gebäudehülle eingesetzt werden. An Orten mit sehr hohen latenten und sensiblen Lasten kann der Klimatisierungsprozess aufgeteilt werden in Entfeuchtung mit thermisch betriebenen offenen sorptionsgestützten Prozessen und in die Abfuhr weiterer sensibler Kühllasten mit zusätzlichen Kaltwassersystemen, die z.b. Kühldecken mit hohen Kaltwassertemperaturen zur Effizienzsteigerung des Prozesses versorgen. Mehr Details über offene Prozesse finden sich in [Henning, 2004/2008] und in [Beccali, 2008]. 2.3 Solarthermische Kollektoren Eine große Vielfalt an solarthermischen Kollektoren steht zur Verfügung und viele davon sind in solaren Kühl- und Klimatisierungssystemen einsetzbar. Welcher Kollektortyp allerdings für eine spezifische Anwendung geeignet ist, hängt von der geplanten Kältetechnik und den lokalen klimatischen Bedingungen ab. In Abbildung 2.9 sind verschiedene Arten stationärer Kollektoren dargestellt. Der Einsatz kostengünstiger Solarluft-Flachkollektoren ist auf sorptionsgestützte Klimageräte begrenzt, da diese Technologie die niedrigsten Antriebstemperaturen benötigt (beginnend bei ca. 50 C) und unter speziellen Bedingun- 13

15 gen einen Betrieb ohne Speicher erlaubt. Um thermisch betriebene Kältemaschinen mit Solarwärme zu betreiben, werden mindestens Flachkollektoren mit sehr hoher Qualität (selektive Beschichtung, verbesserte Isolierung, hohe Stagnationssicherheit) benötigt. Nicht in der Abbildung dargestellt sind konzentrierende und nachgeführte Kollektoren, die eingesetzt werden, wenn Antriebstemperaturen zwischen 100 C und 200 C z.b. bei zweistufigen Maschinen oder Ammoniak-Wasser-Kältemaschinen mit hohem Temperaturhub benötigt werden. glas cover insulation collector frame absorber with air channels solar air collector glass cover insulation absorber with fluid channels collector frame flat plate collector glass cover CPC collector reflector insulation absorber with fluid channel collector frame evacuated tube evacuated tube collector evacuated glass tube optionally: reflector Absorber with fluid channel (forward/return) Abbildung 2.9 Beispiele für stationäre Kollektoren, die in der solaren Kühlung anwendbar sind. Quelle: SOLAIR didaktische Materialdatenbank / Fraunhofer ISE. 3 SOLAIR Datenbank für solares Kühlen und solare Klimatisierung Innerhalb von SOLAIR wurden Anlagendaten von aussichtsreichen und erfolgreich betriebenen Anwendungen der solaren Kühlung und Klimatisierung im kleinen und mittleren Leistungsbereich erfasst. Tabelle 3.1 fasst den Inhalt der Datenbank kurz zusammen. 14

16 Weitere Details können der länderübergreifenden Analyse der Datenbank in SOLAIR entnommen werden [SOLAIR: Review of available technical solutions and successfull running systems cross country analysis, 2008]. Die Anlagenbeispiele, die im folgenden Abschnitt vorgestellt werden, sind dieser Datenbank entnommen. Anwendungstyp Anzahl in Datenbank Technologie Kühlleistung [kw] Land Krankenhaus (& Altersheim) 1 Ab 10 FR Labor (für öffentliche Klinik) 1 Ad 70 DE Öffentliche Bibliothek 1 DEC 81 ES Öffentliche Verwaltung und Büros 3 DEC liq, DEC DE, AT, PT Andere öffentliche Einrichtungen 2 Ad, DEC DE, GR Kommerzielle Büros 11 Ab 9-70 AT, FR, DE, GR, IT, PT, ES Kommerzielle Seminarfläche 1 DEC 60 DE Kommerzielle Weinlagerung 1 Ab 52 FR Wohngebäude 3 Ab, Ad AT, IT, ES total: 24 Tabelle 3.1 Anwendungstyp, Technologie, Kühlleistung und Länderverteilung der Systeme der SOLAIR Datenbank. Abkürzungen: Ab = Absorption; Ad = Adsorption; DEC = sorptionsgestützte Klimatisierung (Desiccant Evaporative Cooling); DEC liq = sorptionsgestützte Klimatisierung mit Flüssigsorption. 4 SOLAIR Anlagenbeispiele Bei vielen der Anlagenbeispielen, die im Folgenden vorgestellt werden, erfolgte die Inbetriebnahme erst ein oder zwei Jahre vor Fertigstellung dieses Katalogs; Langzeiterfahrungen gibt es daher noch nicht. Die Definition Erfolgreiche Anlagenbeispiele bezieht sich folglich auf ein angemessenes Systemkonzept und auf aussichtsreiche und vielversprechende Ansätze zur solaren Kühlung. Der Katalog zielt darauf ab, die Anwendung der solaren Kühlung in verschiedenen Gebäudetypen, unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen und mit unterschiedlichen technischen Lösungen zu präsentieren. Die Präsentation der Anlagenbeispiele erfolgt entsprechend der Darstellung auf der Internet-Seite des SOLAIR-Projektes in englischer Sprache. In einigen Beispielen sind zusätzliche Informationen von der Internet-Seite in einer Zusatztabelle erhältlich, die rechts neben dem Beispiel angezeigt wird und zum Herunterladen bereitsteht. 15

17 4.1 Anlagenbeispiele in ÖSTERREICH Anlagen, die auf den folgenden Seiten vorgestellt werden: 1. Ökopark, Hartberg 2. Bachler, Gröbming 3. SOLution, Sattledt 16

18 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 17

19 Ökopark Hartberg, Österreich 18

20 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 19

21 Komponenten der Ammoniak-Wasser-Kältemaschine, installiert im Bachler System, Gröbming, Österreich. Quelle: PINK Energie- und Speichertechnik. 20

22 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 21

23 Schema des solaren Kühlsystems in Sattledt, Österreich 22

24 4.2 Anlagenbeispiele in FRANKREICH Anlagen, die auf den folgenden Seiten vorgestellt werden: 1. Résidence du Lac, Maclas 2. GICB building, Banyuls sur Mer 3. Kristal building, Saint Denis de la Réunion 23

25 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 24

26 Schema des solaren Kühlsystems in Maclas, Frankreich 25

27 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 26

28 27

29 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 28

30 Kollektorkette und Rückkühleinheit des Kühlsystems in Saint Denis de la Réunion, Frankreich 29

31 4.3 Anlagenbeispiele in DEUTSCHLAND Anlagen, die auf den folgenden Seiten vorgestellt werden: 1. Fraunhofer ISE, Freiburg 2. Universitätsklinikum, Freiburg 3. Handelskammer Südlicher Oberrhein (IHK-SO), Freiburg 4. Bürogebäude der Ott Ingenieure, Langenau 5. Solar Info Center SIC, Freiburg 6. Bürogebäude der IBA AG, Fürth 30

32 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 31

33 Solare Kühlung im Fraunhofer ISE in Freiburg, Deutschland. Oben: Kühlbetrieb im Sommer. Unten: Wärmepumpenbetrieb im Winter. 32

34 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 33

35 Vacuum tube collectors 81 m² Local steam network 90 m² Solar circuit Heating circuit 2 flap bypass Solar heat storage Cooling circuit Closed wet cooling tower Water / air heat exchanger ventilation system A/Csupply valve Winter heating circuit Buffer storage flap storage Heating circuit 1 Cold storage Adsorption chiller 70 kw Chilled water circuit secondary Chilled water circuit primary Schema der solaren Kühlung eines Laborgebäudes der Universitätsklinik, Freiburg, Deutschland 34

36 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 35

37 Schema einer sorptionsgestützten Klimaanlage (SGK) bei IHK-Südlicher Oberrhein, Freiburg, Deutschland 36

38 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 37

39 Subsystem Wärmeversorgung der solaren Kühlung bei Ott Ingenieure, Langenau, Deutschland 38

40 Subsystem Kälteerzeugung des solaren Kühlung bei Ott Ingenieure, Langenau, Deutschland 39

41 Solar Info Center SIC, Freiburg, Germany Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 40

42 Solar betriebene Flüssigsorptionsgestützte Klimatisierung und Schema des Systems im Solar Info Center (SIC), Freiburg, Deutschland 41

43 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 42

44 Schema des solaren Kühlsystems der IBA AG, Fürth, Deutschland 43

45 4.4 Anlagenbeispiele in GRIECHENLAND Anlagen, die auf den folgenden Seiten vorgestellt werden: 1. Center for Renewable Energy Sources, Koropi 2. Promitheus building Sol Energy Offices, Palaio Faliro 44

46 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 45

47 Schema der solar betriebenen sorptionsgestützten Klimatisierung in Lavrio/Koropi, Griechenland 46

48 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 47

49 Gesamtschema der Installationen im Solarenergiegebäude in Palaio Faliro, Griechenland 48

50 4.5 Anlagenbeispiele in ITALIEN Anlagen, die auf den folgenden Seiten vorgestellt werden: 1. Manufacturing area, Bolzano 2. Residential building, Milan 3. ISI Pergine business center, Trento 49

51 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 50

52 Schema des solaren Kühlsystems in Bozen, Italien. Oben: Kälteversorgung im Sommer; unten: Heizbetrieb im Winter 51

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54 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 53

55 Schema des Kälteproduktions- und Verteilungssystem in Trento, Italien 54

56 4.6 Anlagenbeispiele in PORTUGAL Anlagen, die auf den folgenden Seiten vorgestellt werden: 1. INETI building, Lisbon 2. Office building Vajra, Loulé 55

57 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 56

58 Schema einer sorptionsgestützten Klimatisierung (oben) und der Wärmeversorgung mit solarer Wärme und anderer Hilfsenergie (unten) im Ineti Gebäude, Lissabon, Portugal 57

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60 4.7 Anlagenbeispiele in SPANIEN Anlagen, die auf den folgenden Seiten vorgestellt werden: 1. Pompeu Fabra Library, Mataró 2. Headquarter building of CARTIF, Valladolid 59

61 Fortsetzung folgt auf der nächsten Seite 60

62 Schema einer sorptionsgestützten Klimatisierung (SGK) in einer öffentlichen Bibliothek in Mataró, Spanien 61

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65 5 Solares Kühlen: Beispiele für erweiterte Konzepte Die Mehrheit der installierten Anlagen nutzen stationäre solarthermische Kollektoren, entweder Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren wie in Abschnitt 2.3 aufgeführt. Diese Kollektoren reichen aus, um die erforderliche Antriebswärme < 100 C für einstufige Kälteprozesse bereitzustellen. Es gibt jedoch auch Gründe für den Einsatz von Technologien, die Antriebstemperaturen über 100 C benötigen, um den Kälteerzeugungsprozess zu betreiben. Einige dieser Gründe sind: - Die Einstrahlungsbedingungen sind günstig und erlauben den Einsatz höher effizienter thermisch betriebener Kälteprozesse wie z.b. in zweistufigen Absorptionskältemaschinen. Der höhere thermische COP von >1 erlaubt eine Reduktion der Kollektorleistung und führt zu einer deutlichen Reduzierung des Rückkühlbedarfs. Die Antriebstemperaturen müssen typischerweise auf einem Niveau von > 150 C bereit gestellt werden. - Das System wird in industriellen oder kommerziellen Anwendungen eingesetzt und es wird Prozesskälte auf Temperaturniveaus unterhalb der typischen Temperaturen für die Gebäudeklimatisierung (z.b. <0 C) benötigt. Dann können thermisch betriebene Kältemaschinen mit Ammoniak-Wasser als Arbeitsstoffpaar eingesetzt werden. Hierfür werden jedoch höhere Antriebstemperaturen als bei der Gebäudeklimatisierung benötigt. - Der Wasserverbrauch der Rückkühlung kann in mediterranen Gebieten ein kritischer Punkt sein. Es kann daher nur trockene Rückkühlung eingesetzt werden. Dies führt dazu, dass die Rückkühltemperaturen oberhalb von 40 C liegen können; entprechend muss ein hoher Temperaturhub zwischen Rückkühl- und Kaltwassertemperatur bewerkstelligt werden. Eine geeignete Anwendung in diesem Fall ist wieder die Ammoniak-Wasser-Kältemaschine, die dann mit Antriebstemperaturen oberhalb von 100 C arbeitet. Der zuletzt beschriebene Situation ist Untersuchungsschwerpunkt im Projekt MEDISCO [MEDISCO, 2006], das von der Politecnico di Milano koordiniert wird und an dem verschiedene europäische, tunesische und marokkanische Partner arbeiten. Das Projekt wird von der Europäischen Union unterstützt. In diesem Projekt werden zwei Systeme mit einachsig konzentrierenden Kollektor-Technologien in Kombination mit NH 3 /H 2 0-Absorptionskältemaschinen aufgebaut. Eine Anlage liefert Prozesskälte für eine Weinherstellung in Tunesien, die zweite für eine Molkerei in Marokko. Das erste System ging April 2008 in Betrieb. Zur Demonstration der zweistufigen Kältetechnik in Gegenden mit hoher Einstrahlungsverfügbarkeit wurde in 2007 eine Demonstrationsanlage an der Universität in Sevilla, Spanien, errichtet. Ein linear konzentrierender Fresnelkollektor wurde auf dem Dach der Escuela Superior de Ingenieros (ESI) der Fakultät Ingenieurswissenschaften installiert. Die Aperturfläche des Kollektors beträgt 352 m², die thermische Nennleistung beträgt 176 kw. Abbildung 5.1 zeigt das Konstruktionsprinzip dieses von PSE AG, Deutschland, 64

66 errichteten Kollektors. Mehrere Reihen von Primärspiegeln werden einachsig und einzeln dem Sonnenstand nachgeführt und fokussieren die Einstrahlung auf einen stationären Receiver, der sich oberhalb der Primärspiegel befindet. Der Receiver ist mit einem Sekundärspiegel ausgestattet, um Strahlungsverluste zu minimieren. Vorteile dieser Technologie sind der geringe Windwiderstand und die hohe Flächennutzung. Das erlaubt eine Aufdachinstallation bei Flachdächern, z.b. auf kommerziellen oder industriellen Gebäuden. Der Kollektor stellt Heißwasser unter Druck bei Temperaturen um ca. 170 C bereit, das eine zweistufige Kältemaschine mit einer Nennkälteleistung von 174 kw versorgt. Zur Zeit ist dies die kleinste zweistufige Kältemaschine, geliefert vom Hersteller Broad, China. Die Rückkühlung wird in dieser Installation mit Flusswasser, das durch einen externen Wärmetauscher geleitet wird, realisiert, sodass kein Kühlturm notwendig ist. Mehr Information über diesen Typ von Installationen ist in [Zahler, 2008] zu finden. Abbildung 5.1 Der Fresnelkollektor an der Universität Sevilla dient als solare Wärmequelle für die zweistufige Kältemaschine. Oben: Die Primärspiegel sind aus dem Fokus gedreht; eine einfache Methode, um Stagnationsprobleme zu vermeiden. Unten: Sicht auf die Primärspiegel. Rechts: Die zweistufige Absorptionskältemaschine. Quellen: AICIA, Sevilla (oben und rechts), PSE AG (unten). 65

67 Referenzen [Henning, 2006] Hans-Martin Henning: Solar cooling and air-conditioning thermodynamic analysis and overview about technical solutions. Proceedings of the EuroSun 2006, held in Glasgow, UK, June, [ASHRAE, 1988] ASHRAE handbook (1988) Absorption Cooling, Heating and Refrigeration Equipment; Equipment Volume, Chapter 13. [Henning, 2004/2008] Hans-Martin Henning (Ed.): Solar-Assisted Air-Conditioning in Buildings A Handbook for Planners. Springer Wien/NewYork. 2 nd revised edition 2008; ISBN [Mugnier et al., 2008] D. Mugnier, M. Hamdadi, A. Le Denn: Water Chillers Closed Systems for Chilled Water Production (Small and Large Capacities). Proceedings of the International Seminar Solar Air-Conditioning Experiences and Applications, held in Munich, Germany, June 11 th, [Beccali, 2008] Marco Beccali: Open Cycles Solid- and Liquid-based Desiccant Systems. Proceedings of the International Seminar Solar Air-Conditioning Experiences and Applications, held in Munich, Germany, June 11 th, [SOLAIR: Review technical solutions, 2008]. Task 2.1: Review of available technical solutions and successful running systems. Cross Country Analysis. Public accessible report in SOLAIR. [MEDISCO, 2006] Mediterranean food and agro industry applications of solar cooling technologies. Contract (EU-INCO). Co-ordination: Politcnico di Milano, Italy. Duration: [Zahler, 2008] Chr. Zahler, A. Häberle, F. Luginsland, M. Berger, S. Scherer: High Teperature System with Fresnel Collector. Proceedings of the International Seminar Solar Air-Conditioning Experiences and Applications, held in Munich, Germany, June 11 th,

68 Für den Inhalt dieser Publikation sind allein die Autoren verantwortlich. Der Katalog gibt nicht unbedingt die Meinung der Europäischen Gemeinschaft wieder. Die Europäische Kommission ist nicht für eine mögliche weitere Verwendung der hier vorhandenen Informationen verantwortlich.