Techniken solarer Klimatisierung

Transkript

1 FVS-Jahrestagung Energieeffizientes und solares Bauen Berlin September 2008 Techniken solarer Klimatisierung W. Schölkopf, ZAE Bayern zusammen mit: Th. Brendel, ITW Uni Stuttgart E. Wiemken, Fraunhofer ISE M. Krause, Fraunhofer IBP T. Núñez, Fraunhofer ISE

2 Inhalt: Motivation Techniken Kennzahlen Beispiele Entwicklungslinien

3 Motivation für solare Klimatisierung Einsparung fossiler Brennstoffe / Ressourcen und von CO 2 -Emission Vermeidung von Strombedarfsspitzen Vermeidung klimaschädlicher Kältemittel Kohärenz von Kühlbedarf und solarer Strahlung

4 weltweit installierte Kühlleistung Installierte Kühlleistung (elektr.) in GW GW 265 GW Verdopplung in 5 Jahren der installierten Leistung für Gebäudeklimatisierung Japan Asien ohne Japan Mittlerer Osten Europa USA Quelle: U. Eicker und andere Sonstige (Afrika, Südamerika, Ozeanien)

5 Sensible und latente Kühllasten von Gebäuden in Deutschland gerechnet auf Zuluft 8 g/kg und 19 C (Taupunkt 10 C) latente Last sensible Last Quelle: Biel und Röben,*) KI Luft- und Kältetechnik 5/2001

6 Techniken solarer Kühlung solare Strahlung Kollektor Solarthermisches Kraftwerk Solarzelle offenes Sorptionskühlsystem geschlossene Ab-/Adsorptionskältemaschine Dampfstrahlkältemaschine Kompressionskältemaschine Peltierelement

7 Funktionsprinzipien Kompression Absorption Kondensator Q 1 Kompressor p 1 Kondensator Q 1 Q 2 Austreiber Druck Verdampfer M W Verdampfer Drossel Lösungswärmetauscher Lösungspumpe p 0 Absorber Q 0 Q 0 Q 3 T 0 T 1 T 0 T 1 T 2 Temperatur Temperaturhub mechanischer Verdichter Strom bzw. Arbeit Temperaturhub thermischer Verdichter T 2

8 Kennzahlen T 2 Q 2 T 1 Q 1 T 1 Q 1 W T 0 Q 0 T 0 Q 0 Leistungsziffer Kältezahl ε KÄLTE = Kälte Q elektr. Arbeit 0 W COP KÄLTE = Kälte Q0 Antriebswärme Q 2 ε KÄLTE = 2 bis 5 Großanlagen: bis 7 COP KÄLTE = 0,7 bis 1,3 (Klein- und Großanlagen)

9 Desiccant Cooling System (DCS) offenes DCS COP 0,5 Luftauslass Lufteintritt COP = Luftmassenstrom*ΔH AuLu-ZLu Antriebsenergie Regenerator Quelle: Fa. Munters

10 Primärenergieverbrauch Ab-/Adsorptionskältemaschinen(AKM) und Kompressionskältemaschine (KKM) Primärenergieverbrauch kwh / kwh_kälte 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 AKM 1-stufig AKM 2-stufig KKM COP=3, eta=0,33 KKM COP=5, eta=0,50 0,2 0,4 0,6 0,8 1 solarer Deckungsanteil

11 Absorptionskältemaschine Stoffpaar: Wasser/wässrige Lithiumbromidlösung Quelle: Carrier kontinuierlicher Prozessablauf Austreiber Kondensator Absorber Verdampfer LiBr-Anlage Fa. York

12 Adsorptionskältemaschine Stoffpaar: Wasser / Silikagel Quelle: FhG-ISE diskontinuierlicher Prozessablauf Silicagel-Anlage Fa. Nishiyodo

13 typische Kenndaten marktgängiger, thermisch angetriebener Kältemaschinen Verfahren Sorptionsmittel Absorptionskältemaschinen Lithiumbromid Wasser Adsorptionskältemaschine Silikagel Arbeitsstoff Wasser Ammoniak Wasser Anzahl Stufen 1-stufig 2-stufig 1-stufig 1-stufig Antriebstemperatur C C C C COP 0,6 0,8 1,0 1,3 0,3 0,7 0,4 0,6 Angebotener Leistungsbereich 7,5 kw bis 5 MW Einige Typen < 50 kw bis zu einige MW Großanlagen anwenderorientiert kw

14 typische Kenndaten marktgängiger, thermisch angetriebener Kältemaschinen Verfahren Sorptionsmittel Absorptionskältemaschinen Lithiumbromid Wasser Adsorptionskältemaschine Silikagel Arbeitsstoff Wasser Ammoniak Wasser Anzahl Stufen 1-stufig 2-stufig 1-stufig 1-stufig Antriebstemperatur C C C C COP 0,6 0,8 1,0 1,3 0,3 0,7 0,4 0,6 Angebotener Leistungsbereich 7,5 kw bis 5 MW Einige Typen < 50 kw bis zu einige MW Großanlagen anwenderorientiert kw

15 typische Kenndaten marktgängiger, thermisch angetriebener Kältemaschinen Verfahren Sorptionsmittel Absorptionskältemaschinen Lithiumbromid Wasser Adsorptionskältemaschine Silikagel Arbeitsstoff Wasser Ammoniak Wasser Anzahl Stufen 1-stufig 2-stufig 1-stufig 1-stufig Antriebstemperatur C C C C COP 0,6 0,8 1,0 1,3 0,3 0,7 0,4 0,6 Angebotener Leistungsbereich 7,5 kw bis 5 MW Einige Typen < 50 kw bis zu einige MW Großanlagen anwenderorientiert kw

16 Prinzipschema Solares Kühlen 15 C Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine Absorptions- Kältemaschine 18 C 90 C 85 C Wärme- AUX. Heizkessel BOILER 40 C 34 C Solarkollektoranlage Luftwärmetauscher 30 C Kühlturm 40 C 34 C PCM- Solarsystem NT- Kühl-/Heizsystem Kühlsystem

17 Schema Solares Kühlen mit integriertem Warmspeicher Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine Wärmespeicher Absorptions- 15 C Kältemaschine 18 C 90 C 85 C AUX. Heizkessel BOILER 40 C 34 C Solarkollektoranlage Luftwärmetauscher 30 C Kühlturm 40 C 34 C PCM- Solarsystem NT- Kühl-/Heizsystem Kühlsystem

18 Prinzipschema Solares Kühlen mit integriertem Kaltspeicher Absorptions- Kältemaschine Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine 10 C 18 C 90 C 85 C Wärme- AUX. Heizkessel BOILER Latentwärmespeicher 44 C 34 C Luftwärmetauscher 30 C Trocken- Kühlturm 44 C PCM- 34 C Solarkollektoranlage Solarsystem NT- Kühl-/Heizsystem Kühlsystem

19 Prinzipschema Solares Kühlen mit integriertem Kaltspeicher NH 3 Absorptions- Kältemaschine Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine -5 C 18 C 90 C 85 C Wärme- AUX. Heizkessel BOILER Eisspeicher 44 C 34 C Luftwärmetauscher 30 C Trocken- Kühlturm 44 C PCM- 34 C Solarkollektoranlage Solarsystem NT- Kühl-/Heizsystem Kühlsystem

20 Förderprogramm: Solarthermie (BMU) Beispiel: Technologie-Zentrum FESTO AG, Berkheim (Inbetriebnahme: 2007) m² klimatisierte Fläche Energieeffizientes Gebäude: - Wärmeschutz-/Überhitzungsschutz - Lüftungssysteme - Betonkernaktivierung System: - 3 x 350 kw Adsorptionskältemaschine - freie Kühlung im Winter Kollektorfeld: m² Vakuumröhren (nur-wasser-system) Technologie-Zentrum Quelle: FhG-ISE Photo: FESTO AG

21 Entwicklung konfektionierter Systeme Solare Kühlung: Deutsche Schule in Barcelona Heiz-/Kühlconainer 20 Fuß 20 kw Kälteanlage Absorptionskältemaschine York WFC SC 10 Kollektorfeld 80 m² SunTechnics STK 1800 Trockenes Rückkühlwerk, BAC Baltimore Aircoil Erträge (statische Annahmen): Sommer: 51 MWh (90/80 C) = 36 MWh Kälte (7/12 C) Winter: 31 MWh (50/35 C) Quelle: Suntechnics,

22 Aktuelle Entwicklungsprojekte für Kälteleistungen < 20kW Wasser/LiCl interner ClimateWell Robur EAW Ammoniak/ Wasser SK SonnenKlima Rotarica Wasser/ LiBr ECN Wasser/ Silicagel SorTech AG

23 Einstufige, solar betriebene Absorptionskälteanlage von SK SonnenKlima Kälteleistung 2,5 15 kw bei Kaltwasser 18/15 C Antrieb von C COP = 0,5 0,8 Heißwassertemp. [ C] COP Heißwasser Vorlauf Rücklauf 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Kälteleistung [kw] Kältezahl (COP)

24 Prozesskälte mit konzentrierenden Kollektoren einstufiges Ammoniak/Wasser-System Luftgekühlte Wasser-Ammoniak Kältemaschine mit konzentrierenden Kollektoren Eisspeicher z.b. EU-Projekt MEDISCO konzentrierende Kollektoren T = 150 C ROBUR 13,3 kw, COP = 0,65 - Außentemperatur 30 C EXT Eisspeicher Prozesskälte Quelle: Politecnico di Milano

25 Rückkühlung => Abwärmeabgabe an Umgebung Nasskühlturm Hybrid-Kühlturm + niedrige Kühlwassertemperatur (Feuchtkugel!) + niedrige Kühlwassertemperatur - Hohe Investitionskosten - Wasserverbrauch - Legionellenrisiko Kühlturm cooling tower - Schwadenbildung Trockener Rückkühler + geringer Wartungsaufwand + niedrige Investitionskosten - hohe Kühlwassertemperatur - Hilfsenergiebedarf 013

26 Solares Kühlen: System mit Latentwärmespeicher (PCM-) zur verbesserten Rückkühlung Kühlung bei solarer Einstrahlung Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine Absorptions- 15 C Kältemaschine 18 C 90 C 85 C Wärme- AUX. Heizkessel BOILER 40 C 34 C Solarkollektoranlage Luftwärmetauscher 30 C Trocken kühler 40 C 34 C PCM- Solarsystem NT- Kühl-/Heizsystem Kühlsystem

27 Solares Kühlen: System mit Latentwärmespeicher (PCM-) zur verbesserten Rückkühlung Kühlung bei solarer Einstrahlung Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine Absorptions- 15 C Kältemaschine 18 C 90 C 85 C Wärme- AUX. Heizkessel BOILER 40 C 32 C Luftwärmetauscher 30 C Trocken kühler 40 C PCM- 34 C NT- Kühl-/Heizsystem Kühlsystem PCM 32 C Solarkollektoranlage Solarsystem

28 Solares Kühlen: System mit Latentwärmespeicher (PCM-) zur verbesserten Rückkühlung Abwärmeabgabe bei Nacht 18 C Absorptionswärmepumpe bzw. Kältemaschine Wärme- Absorptions- Kältemaschine AUX. BOILER Heizkessel 40 C 32 C Luftwärmetauscher 30 C 20 C Trocken kühler 40 C 30 C PCM- 34 C 25 C NT- Kühl-/Heizsystem Kühlsystem PCM 32 C Solarkollektoranlage Solarsystem

29 Zusammenfassung Sorptionskältemaschinen Projekte Absorption, Adsorption, offene Systeme Großanlagen sind eine etablierte Technik <20 kw: aktuell mehrere Anlagenentwicklungen Entwicklung vordefinierter Systemkonzepte Demonstrationsprojekte (z.b. Solarthermie ) Innovative Ansätze Konzentrierende Kollektoren erlauben den effizienten Betrieb von NH 3 /Wasser-Systemen, den Einsatz von Eisspeichern und 2-stufige Kältemaschinen Mit 2-stufigen Kältemaschinen lässt sich eine Primärenergieeinsparung schon bei 50% solarer Deckung erreichen Ein integrierter Latentwärmespeicher erweitert die Möglichkeiten für trockene Rückkühlung und kann zusätzlich als Wärmespeicher beim Heizen eingesetzt werden

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit