Kühlung mit thermischer Solarenergie

Transkript

1 Kühlung mit thermischer Solarenergie GVZ-Ingolstadt zeigt Machbarkeit solarer Klimatisierung in Deutschland In Deutschland wird derzeit die Hälfte aller größeren Büroneubauten mit Klima-Anlagen ausgerüstet, mit stark steigender Tendenz. Die Nutzung von Solarenergie für die Kühlung von Gebäuden stößt dabei auf großes Interesse bei Planern und Gebäudeeigentümern. Neben einer deutlichen Reduktion des CO 2 -Ausstoßes ist der Einsatz moderner Solar- und Klimatechnik auch wirtschaftlich rentabel. Wie zur Klimatisierung Sonnenenergie eingesetzt werden kann, zeigt unsere Objekt-Reportage über die erste solarunterstützte DEC- Klimaanlage* Bayerns im neuen Service-Center des Güterverkehrszentrums Ingolstadt. *) DEC Desiccant and Evaporative Cooling sinngemäß ins Deutsche übersetzt: Kühlung durch Trocknung und Verdunstung. Der Hauptanteil der sommerlichen Kühllast resultiert üblicherweise aus der solaren Einstrahlung und der Transmission durch die Gebäudehülle aufgrund hoher Außentemperaturen. Zusätzlich gibt es in modernen Büros und gewerblichen Räumen innere Lasten durch Computer, Kopierer sowie Beleuchtung und Personen. Auch der vermehrte Glaseinsatz in der Fassadenarchitektur moderner Gebäude führt zu einem steigenden Kühlbedarf. Daraus resultiert derzeit ein erhöhter Einsatz von konventioneller Kühlung, die den Stromverbrauch, verursacht durch Kompressionskältemaschinen, stark ansteigen lässt. Eine Alternative dazu liegt in den inzwischen weit entwickelten Verfahren solar unterstützter Kühlung, die das fast phasengleiche auftreten von Sonneneinstrahlung und daraus resultierender äußerer Kühllast ausnutzt, um Räume mit Klimakälte zu versorgen. Der Kühlbedarf steigt und fällt sowohl saisonal als auch im Tagesverlauf nahezu phasengleich mit dem Angebot an diffuser und direkter Strahlung. Aufgrund des Speichervermögens des Baukörpers liegt die zeitliche Verschiebung zwischen der Antriebsenergie und der Kühllast des Gebäudes im Bereich von ein bis drei Stunden und kann durch Heiß- oder Kaltwasserpuffer sowie über die thermische Aktivierung Übersicht über die Systeme zur solaren Kühlung. des Baukörpers ausgeglichen werden. Verfahren und Systeme der solaren Kühlung Solare Kühlanlagen sind technologisch ausgereift. Je nach Art des verwendeten Funktionsbetriebs wird zwischen den geschlossenen Verfahren, bei denen thermisch angetriebene Kältemaschinen zur Kaltwasserbereitstellung zum Einsatz kommen und den offenen Sorptionsverfahren zur direkten Luftkonditionierung unterschieden. Bei dem nachfolgend näher betrachteten offenen DEC-Verfahren handelt es sich um eine offene Prozessführung, bei der die Luft direkt, ohne Zwischenschaltung eines Kältemittelkreislaufes, gekühlt wird. Die Kälteerzeugung erfolgt dabei auf Basis von Lufttrocknung (Adsorption an der Silikagelschicht des Sorptionsrades) und einer anschließenden Verdunstungskühlung (Wäscherbefeuchtung). Die minimalen Zulufttemperaturen liegen dabei zwischen 16 und 18 C. Für die Regeneration des Sorptionsmaterials (Desorption) wird die gewonnene Wärmeenergie der Sonnen-Kollektoren verwendet. Geschlossene Ab- oder Adsorptions-Systeme sind eher vergleichbar mit konventionellen Kompressions-Kältemaschinen. Die thermisch angetriebenen Kältemaschi- Bild: Conergy AG 20 IKZ-FACHPLANER Heft 4 /2006

2 Schematische Darstellung des DEC-Prozesses. Beide DEC-Klimaanlagen wurden in Dachzentralen untergebracht. Jede Anlage ist für eine Luftmenge von 8000 m 3 /h ausgelegt und hat eine Kühlleistung von ca. 35 kw. nen liefern Kaltwasser zwischen 6 und 20 C und sind damit für Zentralklimageräte und Klima-Kälterohrnetze mit dezentraler Luftbehandlung einsetzbar. Das benötigte Temperaturniveau zum Antrieb der Absorptions- Kältemaschine liegt dabei deutlich höher als bei den offenen Verfahren, wodurch ein Betrieb mit kostengünstigen Flachkollektoren schwierig ist. Zur Realisierung der solargestützten Kühlung im Gebäude der Wirtschaftsförderungsgesellschaft IFG Ingolstadt wurde auch aus diesen Gründen eine DEC-Klima-Anlage gewählt. Der Prozess soll nachfolgend näher betrachtet werden. Darstellung des DEC-Prozesses und der Luftzustände im Mollier h-x-diagramm Im DEC-Prozess wird Außenluft zur Entfeuchtung durch ein Sorptionsrad (1) geleitet, in dem der in der Luft enthaltene Wasserdampf an die hygroskopische Oberfläche des Sorptionsmaterials gebunden wird. Dabei wird Kondensationswärme frei, die zunächst die Zuluft erwärmt. Im anschließenden Wärmerückgewinnungsrotor (2) wird sie vorgekühlt. Im Kühlsystem, dem Wäscher-Befeuchter (3), wird die Zuluft bei gleichzeitiger Feuchtigkeitszunahme adiabatisch auf das gewünschte Temperaturniveau gekühlt. Die so klimatisierte Zuluft wird dem Raum über einen Ventilator (4) zugeführt. Erwärmte, feuchte Luft aus den Räumen wird im Abluft-Befeuchter (5) adiabatisch gekühlt, wodurch eine größere Temperaturdifferenz zur Wärme- bzw. Kälterückgewinnung erreicht wird. Im Rotationswärmetauscher (6) wird die im Zuluftstrom an den Rotor abgegebene Wärme vom Abluftstrom aufgenommen und zur Regeneration des Sorptionsmaterials vorgewärmt. Im Erhitzer (7) wird Der Zyklus der sorptionsgestützten Klimatisierung im Mollier-h-x- Diagramm. dann das notwendige Temperaturniveau von mindestens 50 bis 70 C zur Regeneration des Sorptionsrades erreicht. Die Nachheizung kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen. Im Ingolstädter Pilotprojekt wird sie im Wesentlichen durch den Solarkollektorkreis bereitgestellt. Darüber hinaus kann die Kondensatorabwärme einer Wärmepumpe genutzt werden. Schließlich nimmt die erhitzte Luft im Sorptionsrotor (8) die im Silikagel gebundene Feuchtigkeit auf und regeneriert so das Sorptionsrad. Die nun warme und feuchte Fortluft wird über einen Ventilator (9) ins Freie ausgeblasen. Zusätzlich kann ein Erhitzer (A) in den Zuluftstrom vor den Ventilator (4) integriert werden. Ist ein Luftaustausch im Winter erforderlich, wird der Erhitzer (A) von den Kollektoren bzw. dem Speicher geheizt und erwärmt somit die Zuluft auf das gewünschte Temperaturniveau. Die solare Kühlung der Luft erfolgt also über einen rein thermischen Prozess und benötigt Wärmeenergie mit einem Temperaturniveau, das von Flachkollektoren durchaus bereitgestellt werden kann. Der Vorzug die- Heft 4 /2006 IKZ-FACHPLANER 21

3 Nachgefragt IKZ-Fachplaner: Herr Zörner, Sie haben das Projekt um die solarbetriebene Klimatisierung mit initiiert und die Planung der Anlage begleitet. Außerdem wird vom Kompetenzzentrum Solartechnik ein Monitoring der Anlage durchgeführt. Was bringt ein solches Monitoring und wann werden erste Erkenntnisse aus dem Betrieb der solarbetriebenen DEC-Anlage vorliegen? Wilfried Zörner: Wir hoffen, dass zukünftig die Erfahrungen aus unserem Projekt helfen werden, Planung und Umsetzung solcher Vorhaben wesentlich effizienter zu gestalten. Zur solaren Klimatisierungsanlage liegen momentan noch keine» In der Vorplanungsphase werden die entscheidenden Weichenstellungen für den Erfolg solcher Bauvorhaben vorgenommen. «belastbaren Daten vor, da das Kollektorfeld und die DEC-Anlage erst Ende des letzten Sommers eingeregelt waren. Gegen Ende dieses Jahres werden wir umfangreiche Ergebnisse im Bezug auf die solare Klimatisierung präsentieren können. Wir werden noch ein weiteres Jahr messen, um alle Aspekte dieses vorbildhaften, integrierten Gesamtsystems eingehend beleuchten zu können. IKZ-Fachplaner: Im vorliegenden Objekt sind zur effizienten und umweltschonenden Bereitstellung von Kühl- und Heizenergie des Gebäudes eine Vielzahl von technischen Maßnahmen miteinander kombiniert worden. Wie sollten Planer, die sich einer so komplexen Aufgabe stellen, bei der Auslegung und Abstimmung der einzelnen Komponenten vorgehen, um eine möglichst effektive und wirtschaftliche Gesamtversorgung zu erreichen? Wilfried Zörner: Das ist eine sehr interessante Frage! Einer Über das Pilotprojekt Solare Kühlung mit DEC-Klimaanlagen im GVZ-Ingolstadt sprach die IKZ- FACHPLANER-Redaktion mit Prof. Dr.-Ing. Wilfried Zörner vom Kompetenzzentrum Solartechnik an der Fachhochschule Ingolstadt. der Gründe, warum wir dieses Projekt durchführen, ist eben gerade die Beantwortung dieser Frage. Erst die Synergien, die durch die Zusammenarbeit der einzelnen Komponenten entstehen, machen den Einsatz jeder einzelner Komponente sinnvoll. So wird beispielsweise die Abwärme des Kollektorfeldes ja nicht nur zur solaren Klimatisierung genutzt, sondern auch für die Brauchwassererwärmung des Hotels, für die Heizungsunterstützung und die Beladung des Erdspeichers. Mithilfe der Wärmepumpe können sogar solare Erträge genutzt werden, die ohne die Wärmepumpe nicht nutzbar wären. Durch die Mehrfachnutzung der einzelnen Komponenten kann jede einzelne Komponente mit einer kleineren Leistung ausgelegt werden. Schwierig abzuschätzen ist dabei, um wie viel sich die notwendige Leistung reduziert und wie gut die Komponenten tatsächlich zusammenarbeiten. Unser Ziel ist es, Überdimensionierungen in Zukunft vermeidbar zu machen, indem man aus den Erfahrungen bei diesem Pilotprojekt lernt. Der Planer muss besonders großen Wert auf die Vorplanungsphase legen, denn dort werden ja die entscheidenden Weichenstellungen vorgenommen und damit der technisch-wirtschaftliche Erfolg des Projekts festgelegt. IKZ-Fachplaner: Die solare Kühlung verspricht aufgrund des größtenteils phasengleichen Auftretens von Kühllast und Strahlungsangebot einen wirtschaftlichen Betrieb. Wie sehen Sie die Chancen für die solare Kühlung mit DEC-Anlagen in Deutschland angesichts des enormen Energieeinsparpotenzials im Gebäudebestand sowie im Neubau? Wilfried Zörner: Die Komfortansprüche der Nutzer werden immer größer, die Architektur dagegen baut mehr und mehr Gebäude, die mit großen Glasflächen zunehmend repräsentative Zwecke erfüllen, aber gleichzeitig die äußeren Wärmelasten drastisch erhöhen. Klimatisierung wird also immer wichtiger. Bevor man allerdings aktive Kühlung in Neubauten verwirklicht, sollten immer zuerst alle Möglichkeiten der pas- ser Technologie besteht dabei darin, dass elektrische Energie lediglich zum Antrieb der Ventilatoren benötigt wird, während z. B. Kompressionskältemaschinen die komplette Verdichterarbeit aus elektrischer Energie gewinnen. Wird weiterhin berücksichtigt, dass zur Bereitstellung dieser Energie ein etwa 3-facher Primärenergieaufwand erforderlich ist, so zeigt dies deutlich, welche CO 2 -Einsparungen durch den Einsatz von solar betriebenen DEC-Anlagen erreichbar sind. Erzeugung der Antriebsenergie durch Flach-Kollektoren Da der Kühlbedarf nahezu zeitgleich mit dem Ange- Insgesamt 280 m 2 Flachkollektoren wurden zur Bereitstellung der zur Regeneration des Sorptionsmaterials notwendigen Wärmeenergie auf dem Flachdach des Gebäudes aufgeständert. Bild: Conergy AG 22 IKZ-FACHPLANER Heft 4 /2006

4 siven Kühlung ausgeschöpft sein. Dabei wird, wie Sie völlig richtig sagen, die solare Klimatisierung immer interessanter, nicht zuletzt unter dem wirtschaftlichen Blickwinkel. Die DEC-Technik bietet dazu eine» Bei unserem System gibt es immer einen Abnehmer für die solare Wärme. «Vielzahl von Vorteilen, gegenüber anderen thermischen Prozessen, die zur solaren Klimatisierung eingesetzt werden können, sodass ich für die DEC-Technik durchaus auch Chancen in Deutschland sehe. Es handelt sich ja um eine ausgereifte Technik, die solarbetrieben besonders interessant wird. Ich denke, auch eine Nachrüstung bei einer vorhandenen Lüftungsanlage im Gebäudebestand kann unter gewissen Umständen durchaus sinnvoll sein. IKZ-Fachplaner: Die Kollektoren versorgen das Gebäude sowohl mit Wärmeenergie für die DEC-Kühlung als auch für Warmwasserbereitung und Heizung. Dabei wird überschüssige Energie den Pufferspeichern bzw. einem Erdspeicher zugeführt. Beste Voraussetzungen also für einen hohen Solarertrag. Mit welchen Deckungsbeiträgen der thermischen Solaranlage am Heiz- und Kühlbedarf des Gebäudes rechnen Sie? Wilfried Zörner: Bei unserem System gibt es immer einen Abnehmer für die solare Wärme, sodass zum einen die Nutzungszeit der Solaranlage gegenüber den meisten konventionellen Systemen hoch sein wird und daher das Kollektorfeld auch nie in Stillstand gehen wird. Bei der solaren Klimatisierung wird der Anteil der vom Kollektorfeld gelieferten Energie für den Regenerationslufterhitzer im Prinzip bei 100 % liegen, weil nur das Kollektorfeld die hohen Temperaturen bereitstellen kann und ohne Sonneneinstrahlung die Klimatisierung ohne den Regenerationslufterhitzer auskommt. Also ein hoher Solarertrag ist durchaus zu erwarten, aber ein hoher solarer Deckungsbeitrag zur gesamten Energieversorgung des Gebäudes ist nicht das Ziel, denn die Grundlast für Heizen und Kühlen wird über die Wärmepumpe abgedeckt. IKZ-Fachplaner: Eine Frage zur Befeuchtung der Zuluft. Kann eigentlich bei Außenluftzuständen mit geringer absoluter Feuchte und gleichzeitigem Kühlbedarf zeitweise mit dem Luftbefeuchter ausreichend gekühlt werden? Wilfried Zörner: Natürlich ist dies möglich. Bei geringer absoluter Luftfeuchte erspart man sich das aufwendige Entfeuchten und kann dann über die beiden Luftbefeuchter den gewünschten Luftzustand einregulieren. IKZ-Fachplaner: Wo sehen Sie die Hauptvorteile des DEC-Prozesses gegenüber den Absorptionskältemaschinen, bei denen ja ebenfalls regenerative Energien zur Bereitstellung von Klima-Kälte eingesetzt werden können? Wilfried Zörner: Als einer der Hauptvorteile ist zuerst die offene Prozessführung zu nennen: Im Gegensatz zu anderen Klimasystemen arbeitet die sorptionsgestützte Klimatisierung bei atmosphärischem Druck. Dadurch ergibt sich ein geringerer Aufwand zur Abdichtung als bei Systemen, die bei Unterdruck oder Überdruck arbeiten, was natürlich die Kosten für die Installation und Instandhaltung der Anlage stark senkt. Des Weiteren sind die eingesetzten Trockenmittel Silikagel oder Lithiumchlorid gesundheitlich unbedenklich und arbeiten quasi verschleißfrei, was einen reduzierten Wartungsaufwand bedeutet. Es werden keine gesundheitlich bedenklichen und ozonschädlichen Kältemittel verwendet. Das Verfahren darf daher als umweltfreundlich bezeichnet werden. Leckagen sind unproblematisch. Ein weiterer, großer Vorteil ist sicherlich, dass ein DEC-Gerät eine vollständige Klimaanlage ist, die nicht nur heizen und kühlen kann, sondern auch die Möglichkeit zur Be- und Entfeuchtung bietet. So ist keine energieaufwendige Taupunktsunterschreitung zur Entfeuchtung nötig. Schließlich kann die Regeneration des Sorptionsrotors, d.h. ein An-» Ein Sorptionsrad ermöglicht im Winterfall hohe Rückwärmezahlen von bis zu 95 %. «trieb des Prozesses, bereits ab Temperaturen um 50 C erreicht werden. Nicht zu übersehen ist im Übrigen auch, dass das zusätzlich zum Wärmerückgewinnungsrotor betriebene Sorptionsrad hohe Rückwärmezahlen von bis zu 95 % im Winterfall ermöglicht. bot an Sonnenergie steigt und fällt, ist es nahe liegend, diese Komponenten zu verknüpfen, um den gewünschten Zuluft-Zustand zu erzeugen. Für die Klimatisierung von Gebäuden mit solarthermischer Kühlung ist es notwendig, Antriebstemperaturen von mindestens 50 bis 70 C für den Kühlungsprozess zur Verfügung zu stellen. Die Anforderungen an Kollektoren zur solaren Kühlung sind vergleichbar mit denen der solaren Heizungsunterstützung. Kollektoren zur Heizungsunterstützung benötigen eine verbesserte Dämmung, da die Differenz zwischen mittlerer Kollektortemperatur (tm = 40 bis 60 C) und Umgebung (ta = -10 bis +10 C) auf Werte um die 50 C steigen kann. Bei der solaren Kühlung ist die Differenz ähnlich, jedoch ist die Globalstrahlung im Sommer wesentlich größer. Während für den Betrieb einer herkömmlichen Solarthermie-Anlage in der Regel nicht mehr als 10 bis 30 Kollektoren notwendig sind, benötigt man für solare Kühlung größere Kollektorfelder. Um den Leistungsbedarf für übliche Kühlanwendungen zu decken, werden in der Regel mindestens 200 m² benötigt. Der Feldaufbau besteht dann aus 100 Kollektoren, die in einem System zusammenwirken. Dabei hat der interne konstruktive Aufbau der Rohrregister einen erheblichen Einfluss auf die gleichmäßige Durchströmung der Einzelfelder. Eine hydraulisch abgeglichene Fluidführung mit geringem Druckverlust gewährleistet eine konstante Heft 4 /2006 IKZ-FACHPLANER 23

5 Leistungsfähigkeit der Kollektoren. Bei ungleichmäßiger Durchströmung können sich lokale Überhitzungen, so genannte Hot Spots bilden, die zur Leistungsstagnation und weiterhin zur irreversiblen Schädigung der eingesetzten Wärmeträgerflüssigkeit führen können. Pilotprojekt: Service Center des Güterverkehrszentrums in Ingolstadt Das neue Service Center im Güterverkehrszentrum (GVZ), Gebäude J, wurde in unmittelbarer Nähe zur Audi AG errichtet. Neben der Nutzung als Ausbildungszentrum der Audi AG und der Seat Deutschland GmbH, die rund 45 % der Flächen belegen, stehen auf einer Gesamtfläche von ca m² Büroflächen, ein Filmstudio sowie ein Hotel im 2. OG zur Verfügung. Die Integration innovativer Gebäudetechnik stand bei der Planung des Gebäudes von Beginn an im Vordergrund. So erfolgt die Beheizung des Gebäudes über fünf Wärmepumpen, die aus den Erdsonden, dem Erd- und Bodenplattenspeicher sowie durch Solarkollektoren versorgt werden. Die Kühlung erfolgt analog der Heizung über die Wärmepumpen und die Bauteilaktivierung. Die zur Bereitstellung der Außenluftrate erforderlichen Luftmengen werden über zwei solargestützte DEC-Klimaanlagen abgedeckt. Unterstützt wird der Prozess durch Nachtauskühlung des Gebäudes, die durch elektrisch gesteuerte Fenster und eine separate Lüftungsanlage erreicht wird. Weiterhin verfügt das Gebäude über eine fassadenintegrierte Photovoltaik-Anlage mit einer Leistung von 18 kwp. Auf dem Dach des Gebäudes wurden erstmals in Bayern zwei Anlagen zur solaren Kühlung installiert, die nach Das Technikkonzept des Gebäudes sieht zur Energieversorgung Wärmepumpen und Solarthermie vor. Als Energiespeicher dienen Pufferspeicher, Betonund Tiefensonden. Zur Nachtauskühlung werden über die GLT Fenster elektrisch geöffnet und ein Abluftventilator geschaltet. Diese Maßnahme reduziert die Kühllast innerhalb der Büroräume und entlastet so die solare Kühlung.. dem offenen DEC-Prozess arbeiten. Die Vollklima-Anlagen haben jeweils einen Luftdurchsatz von 8000 m³/h und eine Kühlleistung von etwa 35 kw. Hochleistungs-Flachkollektoren, unter anderem vom Typ Conergy F 6000, treiben die Vollklima-Anlage an, die ihre thermische Energie vollständig von der Sonne bezieht. Insgesamt wurden 140 Kollektoren mit einer Gesamtfläche von 280 m² auf dem Flachdach aufgeständert. Neben der Klimatisierung stellt die solarthermische Anlage ganzjährig das Warmwasser für die Gäste des 70 Betten Hotels im 2. OG des Gebäudes bereit. Anlagen-Monitoring soll bei der Planung zukünftiger Anlagen helfen Das Projekt wurde von dem Architektur- und Ingenieurbüro pbb aus Ingolstadt gemeinsam mit dem Kompetenzzentrum Solartechnik der Fachhochschule Ingolstadt und dem Bauherrn, der IFG Ingolstadt GmbH, initiiert. Die gesamte Gebäudetechnik, wie beispielsweise die sorptionsgestützten Klimaanlagen, werden seit der offiziellen Inbetriebnahme im Juli 2005 messtechnisch untersucht und die gewonnenen Daten ausgewertet. Ziel der Untersuchung ist es, die Anlagenauslegung beurteilen zu können, um Unsicherheiten bei der Planung zukünftiger Anlagen zu beseitigen und um die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit solarer Klimatisierung auch in unseren Breitengraden aufzuzeigen. Besser einschätzbare Investitionskosten einerseits und erhöhte Akzeptanz bei potenziellen Kunden andererseits sollen die positiven Folgen für die sorptionsgestützte solare Klimatisierung sein. Die wissenschaftliche Betreuung der Anlage wird vom Kompetenzzentrum Solartechnik an der Fachhochschule Ingolstadt durchgeführt. Das Monitoring wird vom Bayerischen Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen gefördert. Fazit Es zeigt sich, dass auch ohne Investitionsförderung der Einsatz regenerativer Energien wirtschaftlich möglich ist. Dies kann jedoch nur durch ein ganzheitliches Gebäudekonzept, also durch die Synergie von Architektur, Konstruktion, Bauphysik, und Gebäudetechnik, erreicht werden. Die Architektur muss dazu aus der funktionalen Nutzung des Gebäudes entstehen. Voraussetzung dafür ist eine frühzeitige Integration aller Fachplaner. Gefragt sind hier innovative Ansätze in der Planung und Lösungen, die handwerklich kostengünstig realisierbar sind. Dies konnte im Rahmen des vorgestellten Projektes zur Zufriedenheit des Bauherrn und der Nutzer umgesetzt Internetinformationen: IKZ-FACHPLANER Heft 4 /2006