Exergieanalyse der solaren Kühlung

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Exergieanalyse der solaren Kühlung"

Thomas Arnold
vor 5 Jahren
Abrufe

1 Exergieanalyse der solaren Kühlung Hans-Martin Henning Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE LowEx-Symposium zum deutschen Projektverbund des BMWi Kassel, 28/29. Oktober 2009

2 Übersicht Motivation und Einführung Anwendungsbeispiele Absorptionskältemaschine Desiccant Cooling Anlage ECOS-Verfahren Ausblick

3 Motivation und Einführung Anwendungsbeispiele Absorptionskältemaschine Desiccant Cooling Anlage ECOS-Verfahren Ausblick

4 Motivation Arbeitsgruppe innerhalb von TASK 38 Solar Air-Conditioning and Refrigeration des IEA Solar Heating & Cooling Programme Exergie-Ansatz wird verwendet, um eine gemeinsame Basis für einen Vergleich unterschiedlicher Verfahren zu ermöglichen Kaltwassererzeuger (Absorptionskältemaschine, Adsorptionskältemaschine) Offene Sorptionsverfahren (Sorptionsrotor, Flüssigsorption) Ergebnis-Bericht Grundlagen: Exergiegehalt solarer Strahlung, Referenzpunkt, Definitionen Anwendungsbeispiele

Exergiegehalt solarer Strahlung Exergiegehalt liegt im Mittel (angenommener Direktstrahlungsanteil 75 %) bei rund 86 % Maximale Ausnutzung erfordert

die Diffusstrahlung wird nicht genutzt Flache Systeme ohne Strahlungskonzentration (Flachkollektor, Photovoltaik): die Exergie der Direktstrahlung

5 Exergiegehalt solarer Strahlung Exergiegehalt liegt im Mittel (angenommener Direktstrahlungsanteil 75 %) bei rund 86 % Maximale Ausnutzung erfordert maximale Konzentration der Direktstrahlung Geometrie-bedingte Verluste realer Systeme Konzentrierende Systeme (Parabolrinnen, Fresnel-Kollektoren): die Diffusstrahlung wird nicht genutzt Flache Systeme ohne Strahlungskonzentration (Flachkollektor, Photovoltaik): die Exergie der Direktstrahlung wird nicht vollständig genutzt (Nichtnutzung der Gerichtet-heit der Strahlung Entropieerzeugung) Für flache Systeme liegt theoretische Obergrenze bei rund 73 %

6 Exergiegehalt der Solarstrahlung Maximum (bei 75 % Anteil Direktstrahlung) Flache, nicht konzentrierende Systeme Quelle: Pons, M.: Bases for second law analyses of solar-powered systems, Part 1: the exergy of solar radiation. Proc. ECOS st Int. Conf. on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation & Environmental Impact of Energy Systems, Cracow-Gliwice, Poland, June 2008, A. Ziebik, Z. Kolenda & W. Stanek Ed., Pub. AGH Univ. Sci. Technol., Vol. 1, pp , 2008

7 Vergleich von Solarwandlern - Energie Energie, W/m Einstrahlung Einstrahlung normal: normal: W/m W/m 2 2 Temperatur Temperatur Umgebung: Umgebung: 20 C 20 C Flachkollektor Fresnel PV Betriebstemperatur, C

8 Vergleich von Solarwandlern - Exergie exergetischer Wirkungsgrad 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% Einstrahlung Einstrahlung normal: normal: W/m W/m 2 2 Temperatur Temperatur Umgebung: Umgebung: 20 C 20 C Flachkollektor Fresnel PV 0% Betriebstemperatur, C

9 Motivation und Einführung Anwendungsbeispiele Absorptionskältemaschine Desiccant Cooling Anlage ECOS-Verfahren Ausblick

10 Ammoniak-Wasser-Absorptionswärmepumpe (TU Graz) Prototyp Wärmepumpe für Heizung und Kühlung Leistung 15 kw einstufiger Prozess Designvergleich auf Exergiebasis Vergleich Gegenstrom- / Gleichstromwärmeübertrager (Quelle: H. Moser, TU Graz)

11 Schema Absorptionswärmepumpe QCON CON GEN DEP REC RAC QGEN Pressure PRC PUMP SHX RTH EVA QEVA SAC ABS QABS STH legend: rich solution poor solution refrigerant liquid refrigerant vapour Temperature

12 Absorptionswärmepumpe - Designvergleich 2,0 1,8 Counter-Current Generator Design Gegenstrom 2,0 1,8 Gleichstrom Co-Current Generator Design 1,6 ΔE EVA,in 1,6 ΔE EVA,in ΔE EVA,ht ΔE EVA,ht 1,4 1,4 exergy losses [kw] 1,2 1,0 0,8 ΔE CON,ht ΔE CON,in ΔE GEN,ht ΔE GEN,in ΔE PUMP ΔE ABS,in ΔE MP exergy losses [kw] 1,2 1,0 0,8 ΔE GEN,ht ΔE GEN,in ΔE ABS,ht ΔE ABS,in ΔE MP ΔE REC 0,6 ΔE ABS,ht ΔE REC ΔE DEP 0,6 ΔE CON,ht ΔE PUMP 0,4 0,4 ΔE CON,in ΔE DEP 0,2 0,0 ΔE SHX ΔE PRC ΔE RTH ΔE STH condensation temperature t 18 [ C] 0,2 ΔE SHX ΔE PRC ΔE RTH ΔE STH 0, condensation temperature t 18 [ C] (Quelle: H. Moser, TU Graz)

13 Ergebnisse des WP-Designvergleichs Geringerer Exergieverlust bei Gegenstrom-Generator-Design Allerdings mit Standard-Plattenwärmeübertrager nicht realisierbar Exergieverluste bei Gleichstrom-Design höher, bedingt durch Rektifikation und Dephlegmator Im Absorber bis zu 30% der Gesamtexergieverluste, von denen nur ein kleiner Anteil durch Wärmeübertragung verursacht wird (Mischungsentropie) Im Generator bis zu 30% der Gesamtexergieverluste, welche hauptsächlich durch Wärmeübertragung verursacht werden

ENERGYbase Solar unterstütztes DEC-System (AIT, Wien)

240 m³/h Solar autonomer Betrieb im Sommer

Feuchterückgewinnung Solarsystem mit 15 m 3

14 ENERGYbase Solar unterstütztes DEC-System (AIT, Wien) DEC-System mit 2 x m³/h Solar autonomer Betrieb im Sommer Systemnutzung im Winter für Wärme- und Feuchterückgewinnung Solarsystem mit 15 m 3 Warmwasserspeicher für Regeneration des DEC-Systems im Sommer und Wärmepumpenbetrieb im Winter (Quelle: A. Preisler, AIT)

15 ENERGYbase Exergieanalyse Verdunstungskühlung ZuL Verdunstungskühlung AbL Exergieanalyse DEC-System (ohne Impulsbilanz) WRG-Rotor Heizregister Sorptionsrotor Fortluft 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% Anteil Exergieverlust

16 Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur sorptiven Luftentfeuchtung, speziell für hohe Aussenluftfeuchte Projektpartner Robert Bosch GmbH Entwicklung und Bau Prototypgerät Gerätetechnische Details (Klappen, Steuerung, Konstruktion usw.) Fraunhofer ISE Material- und Beschichtungsauwahl Bau Prototypen Sorptionswärmeübertrager Test Gerät Modellentwicklung und Simulation

17 ECOS Konzept ECOS: Evaporatively COoled Sorptive Heat Exchanger Außenluft Sorptionsmittel Abluft Indirekte Verdunstungskühlung und sorptive Entfeuchtung in einer Komponente Fortluft Zuluft Kühlung des Sorptionsprozesses während der Adsorption Regenerationsluft Fortluft bessere Ausnutzung der Sorptionskapazität

18 Zyklus im T-x-Diagramm feuchter Luft Temperatur [ C] Fortluft Aussenluft Sorptionsmaterial 3 Abluft Zuluft optional absolute Feuchte [g/kg]

19 ECOS Konzept: Geräteverschaltung Kreuzstrom Regeneration Adsorbens Außenluft Gebäudeabluft Fortluft Zuluft Konditionierung Frischluft aktiv

20 ECOS Konzept: Geräteverschaltung Kreuzstrom Vorkühlung Wärmetauscher Außenluft Gebäudeabluft Fortluft Zuluft Konditionierung Frischluft aktiv

21 ECOS Konzept: Geräteverschaltung Kreuzstrom Konditionierung Frischluft Außenluft Gebäudeabluft Fortluft Zuluft Regeneration Adsorbens aktiv

22 ECOS Konzept: Geräteverschaltung Kreuzstrom Konditionierung Frischluft Außenluft Gebäudeabluft Fortluft Zuluft Vorkühlung Wärmetauscher aktiv

23 Exergieanalyse anhand des ECOS-Wärmeübertrager- Modells Dynamisches Simulationsmodell in Modelica Gegen- und Kreuzstrom- Konfigurationen Modellierung eines Kanalpaares aufgrund von Symmetriebetrachtung Globale, konstante Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten Exergie feuchter Luft e a = ( c + ω c ) T T T ln T + ~ ( 1+ ω) R T ln + R T ( 1+ ω) ( 1+ ω ) ~ 0 + ~ ω ln ( 1+ ~ ω ω) ω p, da p, v 0 0 a 0 a 0 T ~ 0 p0 0 p ~ ln ~ Anteil Wärme (thermisch) Anteil Druck (mechanisch) Anteil Feuchte (chemisch)

24 Simulierter Temperaturverlauf 1 2 Sorption channel Cooling channel 4 3 temperature [oc] T1 desorption T2 precooling time [s] adsorption W

25 Simulierter Feuchteverlauf 1 2 Sorption channel Cooling channel precooling W 25 ω2 humidity ratio [g/kg] desorption ω1 adsorption time [s]

26 Spezifische Exergie: Prozessluft 1 2 Sorption channel Cooling channel 4 3 W 6000 desorption precooling adsorption specific exergy [J/kg e1 e2 Exergieverlust: Minimieren! time [s] Exergetischer Nutzen: Maximieren!

27 Erweiterte Systemkonfiguration: Nachgeschaltete indirekte Verdunstungskühlung Adsorption ECOS Sorptions kanal Indirekter Verdunstungskühler Gebäude Wasser Wasser

28 Nachgeschaltete indirekte Verdunstungskühlung desorption precooling 4 adsorption ECOS IEC specific exergy [J/kg e1 e2, no EC Ohne zuschätzliche Verdunstungskühlung Mit zusätzlicher Verdunstungskühlung 0 e2, EC time [s]

29 Erweiterte Systemkonfiguration: Wärmerückgewinnung Desorption ECOS Sorptions kanal Wärmerückgewinnung Gebäude Solarkollektor

30 Wärmerückgewinnung: Spezifische Exergie 2 ECOS HR 6000 desorption precooling adsorption 1 SC 5000 specific exergy [J/kg e1 e2, no HR e2, HR Ohne zuschätzliche Wärmerückgewinnung Mit zusätzlicher Wärmerückgewinnung time [s]

31 Sensitivitätsanalyse Sensitivität auf wichtige Betriebsparameter Regenerationstemperatur Zyklenzeit Grundlagen der Berechnungen des ECOS-Wärmeübertragers: Geometrie: Kantenlänge => 0.4 x 0.4 m², 60 Kanäle => 19.2 m² Basiszyklenzeit: 600 Sekunden (Adsorption+Desorption+Vorkühlung) Volumenstrom beidseitig: 400 m³/h Außenluftzustand: 32 C, 15 g/kg / Gebäudeabluftzustand: 26 C, 12 g/kg

32 Sensitivitätsuntersuchung Zykluszeit Regenerationstemperatur Exergy destruction [W E D Exergetic efficiency [-] Exergy destruction [W E D η EX Exergetic efficiency [-] η EX cycle time [sec] T regeneration [oc]

33 Ergebnisse ECOS Systemkonfiguration Nachgeschaltete Wärmerückgewinnung minimiert Exergieverluste Nachgeschaltete Verdunstungskühlung erhöht die Exergie der Prozessluft nur gering, dahingegen erhöht sich die Irreversibilität durch Verdunstung Betriebsbedingungen Irreversibilität nimmt zu mit steigender Regenerationstemperatur Irreversibilität hat ein Minimum bei der optimalen Zyklenzeit

34 Motivation und Einführung Anwendungsbeispiele Absorptionskältemaschine Desiccant Cooling Anlage ECOS-Verfahren Ausblick

35 Ausblick Exergieanalyse gutes Werkzeug bei der Entwicklung von Verfahren zur Identifikation derjenigen Prozessschritte, die größte irreversible Verluste bedingen Komplexer zur Analyse von Klimatisierungsverfahren wegen Berücksichtigung Feuchte Festlegung des Referenzpunktes kritisch Überschaubar verwendbar bei Vergleich verschiedener Verfahren bei fest gelegtem Referenzpunkt Nicht trivial bei wanderndem Referenzpunkt In der Regel erlaubt erst Kombination mit weiterer Größe Optimierung (z.b. Kosten)

Ähnliche Dokumente

Erfahrungen aus dem Anlagenbetrieb und Optimierungspotenzial der solaren DEC-Anlage im Passivhausbürogebäude ENERGYbase, Wien

Erfahrungen aus dem Anlagenbetrieb und Optimierungspotenzial der solaren DEC-Anlage im Passivhausbürogebäude ENERGYbase, Wien Markus Brychta, Anita Preisler, Florian Dubisch AIT- Austrian Institute of