Desiccant-Klimatechnik mit Antriebswärme aus Sonne und Biomasse Prototypanlage DEC ÖKOPARK Hartberg

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1 6/1 Desiccant-Klimatechnik mit Antriebswärme aus Sonne und Biomasse Prototypanlage DEC ÖKOPARK Hartberg E. Podesser JOANNEUM RESEARCH, Institut für Energieforschung Elisabethstrasse 5, A-8010 Graz, Österreich. Telefon: +43/316/ , FAX: +43/316/ Inhaltliche Kurzfassung Das vorgestellte Arbeit betrifft die Planung, Errichtung, Inbetriebnahme und messtechnische Untersuchung einer Desiccant-Klimaanlage mit einer Luftleistung von m3/h und einer Kühlleistung von ca. 30 kw. Die dabei zur Regeneration des Sorptionsrades verwendete Wärme aus Sonne und Biomasse entspricht den Leitkriterien der nachhaltigen Technologieentwicklung. Mit dieser Anlage kann das Gebäude im Sommer klimatisiert, im Winter beheizt und in der Übergangszeit belüftet werden. Bei der Klimatisierung im Sommer unterscheidet man zwei Betriebsarten: 1. Die adiabatische Luftkühlung, die elektrische Antriebsenergie für die Ventilatoren und Wasser zur Luftbefeuchtung benötigt und 2. die sorptive Luftkühlung, die zusätzlich auch noch Wärme für die Regeneration (Trocknung) des Sorptionsrades benötigt. Die Anlage wurde im September 2000 in Betrieb genommen, Messwerte wurden über drei Jahre aufgezeichnet und ausgewertet. Die Erfahrungen zeigen, dass im Umfeld von Graz, Österreich, eine adiabatische Kühlung für viele Sommertage ausreicht und nur an Tagen mit höheren Luftfeuchten der sorptive Kühlbetrieb notwendig ist. Die gewonnenen Erfahrungen erlauben vor allem auch neue Ansätze bei den Regelungsstrategien, die auf signifikante Verringerung des Wärmebedarfes für den sommerlichen Kühlbetrieb und auf höhere Betriebssicherheit abzielen. 1. Einleitung Die gegenständliche Arbeit betrifft ein umweltfreundliches Verfahren zur Klimatisierung von Gebäuden in mitteleuropäischen Klimazonen, das zur Luftkühlung Stoffe der Biosphäre, wie Luft und Wasser, benutzt und im sorptiven Kühlmodus mit Wärme aus erneuerbaren Energieträgern (Biomasse und Sonnenenergie) betrieben wird. Der bekannte negative Einfluss von konventionellen Kältemitteln auf die Ozonschicht (Ozon Depletion Potential: ODP) und der Beitrag zur Erwärmung der Erdatmosphäre (Global Warming Potential, GWP) kann dadurch weitgehend vermieden werden. Allerdings benötigt man zur Luftbewegung, wie dies in Gebäudeklimaanlagen üblich ist, elektrisch betriebene Ventilatoren, die je nach Art der Stromerzeugung zur anthropogenen CO2- Produktion beitragen (indirekter Beitrag zum Treibhauseffekt: I-GWP). 2. Der sorptive Kühlprozess im h,x-diagramm für feuchte Luft In Abbildung 1 werden die für einen Desiccantprozess erforderlichen Komponenten gezeigt. Die Legende beschreibt deren Funktion. In Abbildung 2 sind nun die Luftzustandsänderungen im h,x- Diagramm für feuchte Luft eingetragen, wie sie beim durchlaufen des Desiccant-Klimagerätes auftreten. Die Luftzustände sind durch die Nummern 1 bis 11 (in Rechecken) bezeichnet. Der Prozess beginnt mit dem Außenluftzustand bei Auslegungsbedingungen. Von 1 nach 2 wird die Außenluft getrocknet, die mit etwa 12 g Wasser je kg trockener Luft in den

2 6/2 Prozess eintritt. Die Trocknung erfolgt durch Kondensation (Adsorption an der Silikagelschicht des Sorptionsrades), wodurch die Kondesationswärme frei wird und die Zuluft auf ca. 52 C erwärmt wird. Im folgenden Schritt von 2 nach 3 wird die Zuluft am Wärmerückgewinnungsrad bis auf ca. 27 C, und im anschließenden Prozeßschritt von 3 nach 4 durch Befeuchtung auf ca. 18 C abgekühlt. Abbildung 1: Komponenten eines Desiccant-Klimagerätes : Zuluftseite:1... Luftfilter EU7, 2... Sorptionsrad, 3... Wärmerückgewinnungsrad (rotierender Rekuperator), 4... Nacherhitzer für Heizen im Winter, 5... Verdunstungsbefeuchter Zuluft, 6... Zuluftventilator, AU... Außenluft, ZU... Zuluft. Abluftseite: 7... Verdunstungsbefeuchter Abluft, 8... Lufterhitzer zur Trocknung des Sorptionsrades, 9... Abluftventilator, AB... Abluft, FO... Fortluft. Die darauf folgende Erwärmung im Zuluftventilator um weniger als 1 C ist noch durch die Zustandsänderung von 4 nach 5 gekennzeichnet. Die Zuluft tritt nun mit dem Zustand 5 in die zu konditionierenden Räume des Gebäudes ein, wird dort durch Wärmeeintrag über die Außenhülle des Gebäudes, durch Personen und Geräte erwärmt und befeuchtet, und verlässt das Gebäude im Luftzustand 6 (ca. 26 C und 11,5 g/kg). Nach dem Abluftbefeuchter erreicht die Abluft den Zustand 7 (ca. 20 C und 14 g/kg) und wird in weiterer Folge vom Wärmerückgewinnungsrad (Teil 3 in Abbildung 1) auf ca. 33 C vorgewärmt (Zustand 8) und anschließend zur Trocknung des Sorptionsrades mit Wärme aus Biomasse und Sonne im Regenerationserhitzer auf ca. 74 C erwärmt (Luftzustandsänderung von 8 auf 9). Die Luftzustandsänderung von 9 auf 10 mit Abkühlung und Feuchteanstieg geschieht im Sorptionsrad und der Schritt im Abluftventilator.

3 6/3 Abbildung 2: Sorptiver Desiccant-Kühlprozess im h,x-diagramm für feuchte Luft 3. Prozessauslegung Zur Prozessberechnung wurde ein EXCEL-Rechenprogramm verwendet, das auf die Abbildung 3: Rechenergebnisse für den Auslegungspunkt mit dem Rechen- und Analyseprogramm rst_v20 nach R. Stiglbrunner.

4 6/4 Daten der Sorptionsräder und der Befeuchter der Fa. Munters zurückgreift. Ein solches Programm ist sowohl für eine Prozessauslegung gut geeignet, als auch fürdie Prüfung der Luftzustände im praktischen Betrieb. Dazu werden die jeweiligen Lufteingangszustände als Parameter eingegeben und als Ergebnis die Zahlenwerte für Lufttemperaturen, relative und absolute Luftfeuchten auf dem Wege der Luftbehandlung im Desiccantgerät berechnet. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse für den Auslegungspunkt. Abweichungen zu den Rechenwerten helfen, Fehler im Betrieb scheller zu erkennen. 4. Errichtung und Betrieb der Desiccant-Klimaanlage 4.1 Vorarbeiten und Planung In enger Zusammenarbeit mit dem planenden Architekt und den Technikern wurden die Schnittstellen zur übrigen Haustechnik festgelegt. Die Abbildung 4 zeigt ein Schema der Desiccant - Klimaanlage mit Wärmeversorgung und Wasseraufbereitung. Das in Abbildung 4 gezeigte Biomasse-Fernheizwerk ist im Bau. Zwischenzeitlich wird die Wärme von den Solarkollektoren und von einer mobilen Pellet-Heizanlage verwendet. Zur Vorbereitung der Lieferung wurde auf Basis der Prozessberechnung und einer konstruktiven Lösung des DEC-Gerätes ein Leistungsverzeichnis erstellt. Wesentliche Aufgabe war dabei, nur seriengefertigte Module der verfügbaren Lüftungstechnik zum Bau des DEC-Gerätes zu verwenden, die beigestellten Komponenten wie Sorptionsrad, Wärmerückgewinnungsrad und Verdunstungsbefeuchter der Fa. Munters in die seriengefertigten Module zu integrieren, und diesen Vorgang durch eine entsprechende Definition der Positionen im Leistungsverzeichnis festzulegen. Abbildung 4: Anlagenschema. Biomasse-Fernheizwerk, Solaranlage, DEC Anlage mit Regelung und Wasseraufbereitung.

5 6/5 Desiccant-Klimagerät Vakuum Solarkollektor Abbildung 5: Desiccant- Klimaanlage im ÖKOPARK Hartberg, Betrieb seit September 2000 Drei Unternehmen konnten Angebote zur Lieferung der Desiccant-Klimatechnik auf Basis eines Leistungsverzeichnisses erarbeiten. Den Zuschlag bekam die Fa. Klötzel, die im Wege der Fa. TROGES (Wiener Unternehmen für den Bau von lüftungs- und klimatechnischen Geräten) die Lieferung vornahm. Das Desiccant Gerät wurde wetterfest für Außenaufstellung gebaut und vor dem Gebäude positioniert (Abbildung 5). Es ist mit wettergeschützten, wärmegedämmten Luftrohren mit den Zu- und Abluftsträngen des Gebäudes verbunden. 4.2 Aufbereitetes Reinwasser für die Luftbefeuchter Eine erste Wasseranalyse der örtlichen Wasserversorgung ergab eine Wasserhärte von 13 dh und einen Leitwert von 360 µs/cm. Es wurde daher ein Ionentauscher, gefolgt von einer Reverse-Osmoseanlage eingebaut. Das Reinwasser, das den Verdunstungsbefeuchtern zugeführt wird, hat nach der Aufbereitung 0 bis 1 dh und einen Leitwert von ca. 30 bis 50 µs/cm. In geringen Mengen wird auch ein Biocid dosiert, um den Bakterienwuchs (Legionella) in den Wasserbecken zu verhindern. 4.3 Anlagenregelung Das Herz der DEC-Klimaanlage ist die Regelung für den vollautomatischen Ganzjahresbetrieb. Der Regelungsalgorithmus war dabei einer der wichtigsten Entwicklungsschritte. Daraus wurde eine Regelungsstrategie entwickelt, mit deren Hilfe das Programm für eine kommerziell verfügbare DDC Regelungstechnik mit Prozessvisualisierung, Datenspeicherung und Fernüberwachung erstellt werden konnte.

6 6/6 Abbildung 6: Basis - Regelungskonzept der DEC Anlage für den ganzjährigen Betrieb In Abbildung 6 ist das Prinzip der Sequenzregelung für Heizung, Lüftung und Kühlung eingetragen. Aus Außen- und Innenluftkonditionen wird der Heiz- bzw. Kühlbedarf berechnet. Heizung: Wenn Heizbedarf auftritt, wird als erstes der Sorptionsrotor im Wärmerückgewinnungsmodus eingeschaltet und die Rotordrehzahl bis auf 10 bis 15 Upm gesteigert. Kann der Heizbedarf mit dieser Maßnahme nicht abgedeckt werden, so wird der Wärmerückgewinnungsrotor im nächsten Schritt in Betrieb genommen. Bei weiter steigendem Heizbedarf wird der Nacherhitzer eingeschaltet und nach Maßgabe des notwendigen Luftwechsels bis an die maximale Leistung gefahren. Reicht diese Heizleistung noch immer nicht aus, dann wird der Luftmassenfluss, geregelt durch die CO2 - Messung in den Büros, gesteigert. Kühlung: Wenn Kühlbedarf gemeldet wird, wird als erstes der Abluftbefeuchter und gleichzeitig der Wärmerückgewinnungsrotor in Betrieb genommen, um die Zuluft im adiabatischen Betriebsmodus zu kühlen. Die Grenzen des adiabatischen Betriebes sind erreicht, wenn der Luftzustand der Zuluft den durch die verschiedenen Richtlinien, z.b. Arbeitstättenrichtlinie, vorgegebenen Komfortbereich verläßt. Im nächsten Regelungsschritt wird der sorptive Betriebsmodus gestartet. Zuerst wird das Sorptionsrotor mit dem Ablufterhitzer getrocknet und anschließend die Außenluft nach Maßgabe der Außenluftfeuchte getrocknet und die Zuluftbefeuchtung schrittweise gesteigert. Auf Basis dieses Regelungskonzeptes wurden verschiedene Verbesserungen der Regelungsstrategie entwickelt und realisiert. Diese Bemühungen konzentrierten sich vor allem darauf, den adiabatischen Betriebsmodus optimal auszunutzen, um des Verhältnis von erzeugter Kühlleistung im Verhältnis zur aufgewendeten Regenerationswärme zu verbessern.

7 6/7 5. Einige Ergebnisse der Auswertung Seit Herbst 2000 werden Messwerte des Anlagenbetriebes der gegenständlichen Anlage aufgezeichnet. Die Datenauswertung im Rahmen des EU Projektets ASODECO an dem Deutschland, Holland, Israel und Österreich teilnehmen, beschäftigt sich vor allem mit der Verbesserung von Regelungsstrategien für Desiccantanlagen. Die folgende Tabelle 5.1 gibt eine geraffte Zusammenstellung der Betriebsdaten aus dem Jahr Tabelle 5.1: Charakteristische Anlagendaten aus Langzeitmessungen im Jahr 2002 Spezifische Daten aus Meßdaten Auslegung Bemerkung 1 Kühllast (kwh) / Regenerationswärme (kwh) 0,6 0,3 2a Kühllast (kwh)/stromverbrauch (kwh) 1,58 3,3 mit Lüftung 2b Kühllast (kwh)/stromverbrauch (kwh) 6,32 25,3 nur DEC 3 Kühllast (kwh)/rohwasserverbrauch (m 3 ) Bei der Desiccant Klimatechnik wird die Kühlleistung (kwh) als jene Größe bezeichnet, die die Außenluft auf den Luftzustand der Zuluft konditioniert. Die Kühllast ist jedoch jene Größe, die sich aus dem Unterschied zwischen Zuluft und Abluft errechnet und somit für die Gebäudeklimatisierung wirksam wird. Die Zeile 1 in Tabelle 5.1 zeigt eine signifikante Verbesserung des gemessenen Verhältnisses der Kühllast zur benötigten Regenerationswärme für die Kühlperiode im Jahr Es wurde wesentlich weniger Regenerationswärme verbraucht als dies im ausschließlich sorptiven Betriebsmodus der Fall ist, weil durch eine verbesserte Regelungsstrategie der adiabatische Betrieb so oft und solange als nur möglich zur Raumkühlung genutzt wurde. In Zeile 2a wird der gesamte gemessene Stromverbrauch ins Verhältnis gesetzt und in Zeile 2b nur jener, der dem Druckverlust an den spezifischen Komponenten des Desiccantgerätes entspricht, wodurch der Aufwand von Lüftung und Kühlung getrennt betrachtet wird. Zeile 3 gibt den realen und den prognostizierten Wasserverbrauch an. 5. Investitionskostenvergleich Der Vergleich der Kosten von unterschiedlichen Kühltechniken ist wesentlich für die Kaufentscheidung von Kunden. Auf der Basis der entwickelten Desiccanttechnik wurden daher vier ausschreibungsreife Planungen für Desiccantanlagen mit Luftleistungen von bis m 3 /h ausgeführt und mit Kosten von Lüftungsgeräten mit Kompressorkühlung verglichen. Das Ergebnis wird in Abbildung 7 gezeigt. Die Kurve 1 zeigt Investitionskosten für Forschungs- und Demoanlagen, die ohne Ausschreibung und Preisverhandlung gebaut werden. Die Kurve 2 zeigt Investitionskosten für Desiccant - Anlagen in Modultechnik, die ausgeschrieben und anschließend vor der Vergabe verhandelt werden. Die Ergebnisse zeigen deutlich, daß die Investitionskosten für Anlagen im Bereich von m3/h Luftleistung schon sehr nahe an die Technik mit Kompressionskühlung herankommen.

8 6/8 Abbildung 7: Investitionskosten von Desiccantanlage im Vergleich mit Kompressorkühlung 6. Begleitenden EU-Projekte Neben der Verbesserung der Regelungsstrategie und der praktischen Prüfung der vorgeschlagenen Maßnahmen im bereits genannten Projekt ASODECO (Advanced Solar Driven Desiccant Cooling Systems for Central European and Mediterranean Climate) wird im EU Projekt SACE ( Solar Air Conditioning for Europe), eine Erhebung und Bewertung von solar unterstützten Klimaanlagen vorgenommen. Eine CD über alle Ergebnisse dieses Projektes ist unter der genannten Internetadresse verfügbar. 7. Finanzierung und beteiligte Unternehmen Die Projektarbeiten wurden vom Land Steiermark im Wege der EU-Regionalförderung und von der OKOPLAN Ges.m.b.H, Hartberg (Stadtwerke Hartberg), finanziert. Mit der Projektleitung und Planung wurde Joanneum Research in Graz, betraut. Für die Lieferung und Detailplanung der Anlage wurde mit den Unternehmen Fa. Klötzel, Graz: Lüftungstechnik und Fa. Hereschwerke, Wildon, Regelungstechnik, kooperiert. 8. Literatur /1/ Heinrich, G.; Franzke, U.: (1997) Sorptionsgestützte Klimatisierung, C.F. Müller- VerlagHeidelberg, 1. Auflage /2/ Busweiler, U.: Desiccant Cooling. Clima Commerce International, 6/1991. /3/ Busweiler, U.: (1993) Klimatisieren ohne Kältemaschine, Technische Akademie Manheim,Seminar Nr. 0751/ II 93. /4/ Munters Euroform GmbH: 1999) Technische Produktbeschreibungen /5/ Podesser, E; Stiglbrunner, R.: (2000) Errichtung und Betrieb einer Desiccant- Klimaanlage zur Technologiedemonstration im Forschungshaus des ÖKOPARK Hartberg, Endbericht Nr.: IEF-B-09/00, im Auftrag von ÖKOPLAN Hartberg, Dezember 2000, 40 Seiten.