Zeitschrift für nachhaltiges Bauen. Healthy Building: Roche Products LTD. Solarsiedlung erzeugt Energieüberschuss. Dachbegrünung: klimatische Effekte

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1 Zeitschrift für nachhaltiges Bauen Healthy Building: Roche Products LTD Solarsiedlung erzeugt Energieüberschuss Dachbegrünung: klimatische Effekte Spezial: Gebäude-Zertifizierung 2 / 2008

2 Solare Kühlung Mit Wärme kühlen Der Energiebedarf für Klimatisierung steigt weltweit. Thermische Kühlung trägt zu einer deutlichen Reduktion des Energieverbrauchs und der CO2 Emissionen bei. Seit 2007 wird die Kantine des Fraunhofer ISE in Freiburg solar gekühlt Absorber chillii PSC12 Foto: SolarNext Wachsender Komfortbedarf und fortschreitender Klimawandel werden in den kommenden Jahren die Zahl der klimatisierten Gebäude voraussichtlich stark ansteigen lassen. Der Einsatz herkömmlicher Kompressorkältemaschinen verursacht Spitzenlasten, die bereits jetzt in Europa Stromnetze an ihre Grenzen bringen. Die derzeit eingesetzten Kältemittel in den Kompressionskältemaschinen haben zwar kein Ozongefährdungspotenzial mehr, aber besitzen aufgrund von Leckagen des Kältemittels im Bereich von 5 bis 15 Prozent pro Jahr ein deutliches Global Warming Potential (GWP). Solare Kühlung hingegen bietet eine nachhaltige, aktive Klimatisierungsmöglichkeit. Sorptionskältemaschinen verwenden natürliche Kältemittel und haben nur einen sehr geringen Stromverbrauch. Die Betriebskosten sind somit sehr niedrig und die CO2 Bilanz ist gegenüber Kompressionskältemaschinen deutlich besser. Vor diesem Hintergrund erhält die Gebäudeklimatisierung auf Basis thermisch angetriebener Kältemaschinen einen besonders interessanten Aspekt: Die Ursache für den größten Teil des Klimatisierungsbedarfs, die Intensität der Sonneneinstrahlung, ist durch den Einsatz von Sonnenkollektoren zur Bereitstellung der Antriebswärme gleichzeitig Energiequelle für die Klimaanlage. Dieser grundsätzliche Zusammenhang ist das stärkste Argument für solares Kühlen. Wird aktiv gekühlt, sind lange Laufzeiten der Kältemaschine entscheidend für die Wirtschaftlichkeit einer Solaren Kühlung. Während im Wohnungsbau in Mitteleuropa nur etwa 50 bis 200 Kühlstunden auftreten, sind im südlichen Mittelmeerraum sowie in Industrie- und Verwaltungsbauten etwa Volllaststunden erforderlich. Das Potenzial für solare Kühlung ist jedoch hoch alleine in Deutschland fallen etwa GWh Stromverbrauch alleine für die Klimatisierung von Bürogebäuden an. Eine ganzjährige Energienutzung der erneuerbaren Energiequellen zur Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung und solaren Kühlung ist dabei unabdingbar. Solare Kühlungstechnologien Die Technologie des solaren Kühlens wird schon seit einigen Jahrzehnten eingesetzt, aber es gibt bisher wenig kommerziell erhältliche Komplettsysteme. Hauptsächlich finden Absorptionskältemaschinen und sorptionsgestützte DEC- Anlagen (Desiccant and Evaporative Cooling) Verwendung. Vereinzelt werden auch Adsorptionskältemaschinen und Flüssigsorptionsanlagen eingesetzt. Die solarthermisch betriebenen Kühlverfahren lassen sich grundsätzlich in zwei Hauptgruppen einteilen: die geschlossenen Systeme zur Kaltwassererzeugung und die offenen Systeme zur direkten Klimatisierung der Luft. Geschlossene Systeme Bei den geschlossenen Systemen erzeugen einstufige Absorptionskältemaschinen mit den Stoffpaaren Wasser/Lithiumbromid beziehungsweise Ammoniak/ Wasser über einen geschlossenen, kontinuierlichen Kreisprozess Kälte. Die Ver- 50 zeno 2/08

3 Solarkollektoren an Fassade und Boden des Trainingscenters und Bürogebäudes BachlerAustria dampfertemperatur kann bei Ammoniak- Absorptionskältemaschinen bis auf minus 30 C gesenkt werden, so dass industrielle Kälteprozesse möglich sind. Bei der Verwendung von Wasser als Kältemittel ist die Verdampfertemperatur auf Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes von minimal 5 bis 6 C beschränkt. Bei der Absorptionskältetechnik wird das Kältemittel (Wasser oder Ammoniak) in einem flüssigen Lösungsmittel (Lithiumbromid oder Wasser) absorbiert und durch direkte oder indirekte Beheizung in einem Austreiber bei hohen Temperaturen desorbiert und auf den erforderlichen Kondensatordruck gebracht. Bei der Kondensation beziehungsweise Absorption wird Kondensations- beziehungsweise Lösungswärme frei, die über einen gemeinsamen Kühlkreis abgeführt werden müssen. Die Antriebstemperaturen Foto: SolarNext für die Austreibung liegen je nach Technologie zwischen 70 und 120 C. Grundsätzlich finden Absorptionskältemaschinen Verwendung als zentrale Klimatisierungssysteme mit dezentralen Umluftgeräten (Fan Coils) oder Kühldecken für die Klimatisierung der zu kühlenden Räume. Bei der geschlossenen Adsorptionstechnik wird das Kältemittel Wasser an einem Festkörper wie Silikagel unter Freisetzung von Bindungswärme an der Oberfläche adsorbiert. Die Bindungswärme sinkt bei steigender Anlagerung von Wassermolekülen gegen Null, so dass nur noch Verdampfungswärme abgeführt werden muss. Die Desorption des angelagerten Wassers und die Druckerzeugung für die Kondensation erfolgt bereits bei niedrigen Antriebstemperaturen von 55 bis 70 C, so dass diese Technologie besonders für den Einsatz von Solarenergie geeignet ist. Von geschlossenen Adsorptionskältemaschinen wird durch den periodischen Kreisprozess Kaltwasser von minimal 5 bis 6 C erzeugt. Diese Kältemaschinen können ebenfalls als zentrale Klimatisierungssysteme mit dezentralen Umluftgeräten (Fan Coils) oder Kühldecken eingesetzt werden. Offene Systeme Offene Adsorptionsanlagen, so genannte DEC-Anlagen, verwenden die Zuluft der Klimaanlage direkt als Kälteträger. Die physikalische Adsorption von Wasser an Silikagel oder Lithiumchlorid (LiCl) dient in diesem Prozess zur Trocknung der Luft. Gekühlt wird anschließend mit einer direkten Verdunstungsbefeuchtung der getrockneten und über einen Wärmetauscher vorgekühlten Luft. Die thermische Antriebsenergie ist zur Regeneration des Sorptionsmittels, das heißt zur Desorption des adsorbierten Wassers, erforderlich. Mit offener Adsorption werden prozessbedingt Lufttemperaturen von minimal etwa 16 C erreicht, so dass der Einsatzbereich auf die Klimatisierung beschränkt ist. Die Antriebstemperaturen können auch bei diesem Verfahren sehr niedrig (60 bis 70 C) gewählt werden. Marktverfügbarkeit Sorptionskältemaschinen im mittleren und großen Kälteleistungsbereich über 35 kw sind seit Jahrzehnten am Markt erhältlich. In den letzten Jahren wurden speziell in Europa aber viele neue Sorptionskältemaschinen im kleinen Leistungsbereich entwickelt. Viele dieser Absorptionskälte- und Adsorptionskältemaschinen sind nun aus dem Prototypentwicklungsstadium in den Feldtest und die Produktion übergegangen. So gibt es Absorptionskältemaschinen im Leistungsbereich von 4,5 kw bis 30 kw und Adsorptionskältemaschinen mit 7,5 bis 15 kw Kälteleistung. Adsorptionskältemaschine ACS 05 im Technikraum des Fraunhofer ISE Flachkollektoren auf dem Dach des Fraunhofer ISE zeno 2/08 51

4 Funktionsschema Absorptionsprozess Funktionsschema Adsorptionsprozess Solar Cooling Kits In den letzten Jahren haben sich ein paar wenige Solarfirmen auf dem Markt als Systemanbieter für solare Kühlung positioniert. Dies ist für den kleinen Leistungsbereich bis 30 kw Kälteleistung zum Beispiel SolarNext mit ihren chillii Solar Cooling Kits und Absorptionskältemaschinen im größeren Leistungsbereich von EAW, Yazaki und Thermax. Weitere Firmen wie zum Beispiel CitrinSolar, Enus, Phönix Sonnenwärme, Schüco und Solution bieten ebenfalls solare Kühlsysteme mit den verschiedensten Kältemaschinen an. Die Solar Cooling Kits beinhalten grundsätzlich Solarkollektoren mit Zubehör, Warmwasserspeicher, Pumpen-Sets, Kältemaschine, Rückkühler, teilweise Kaltwasserspeicher und die Regelung. Die Cooling Kits sind für den europäischen Markt entwickelt, wobei länderspezifisch auch andere Rückkühler (z.b. für Spanien mit Trockenrückkühler) angeboten werden. Eine im Rahmen des von der EU geförderten Rococo Projekts durchgeführte Recherche geht aktuell von 200 installierten solaren Kühlungssystemen kleiner bis großer Kälteleistung in Europa und insgesamt Anlagen weltweit aus. Beispiele solarer Kühlungsprojekte Für das neue Trainingscenter und Bürogebäude der BachlerAustria GmbH in Gröbming, Österreich wurde ein solares Kühlungssystem mit einem Biomasse Backup im Frühjahr 2007 in Betrieb genommen. Als Kältemaschine ist ein chillii PSC10 für eine Kältelast von 9 kw installiert und zur Rückkühlung wird ein 26 kw Nasskühlturm sowie zusätzlich ein Schwimmbad verwendet. Der Nasskühlturm wird für den Mitteleuropäischen Einsatzbereich mit sehr niedrigen Rückkühltemperaturen von 24/29 C betrieben. Die benötigte Solarwärme wird von 40 Quadratmetern Flachkollektoren geliefert, die sich nicht wie üblich auf dem Dach sondern an der Fassade und auf dem Boden vor dem Gebäude befinden und in drei 1,5 Kubikmeter großen Warmwasserspeichern gespeichert. Die Kälteverteilung wurde mittels Bauteilaktivierung mit Kaltwassertemperaturen von 19/16 C realisiert. Seit 2007 wird die Kantine des Fraunhofer ISE in Freiburg solar gekühlt. Dafür wird eine Adsorptionskältemaschine ACS 05 von SorTech mit 5,5 kw Kälteleistung verwendet. Die notwendige Wärme für den Antrieb der Maschine wird durch 22 Quadratmeter Flachkollektoren und dem Instituts Heißwassernetz als Backup bereitgestellt. Ein Liter Warmwasserspeicher dient als Puffer. Drei Erdsonden mit je 80 Meter dienen zur effektiven Sorptionskältemaschinen für Solare Kühlsysteme Hersteller SorTech SolarNext SorTech Yazaki Produktname chillii STC8, (ACS 08) chillii PSC12 chillii STC15, (ACS 15) chillii WFC 18, (WFC-SC5) Technologie Adsorption Absorption Adsorption Absorption Arbeitsstoffpaar Wasser/Silikagel Ammoniak/Wasser Wasser/Silikagel Wasser/Lithiumbromid Kälteleistung [kw] 7, ,5 Heizwassertemperaturen [ C] 75 / / / / 83 Kühlwassertemperaturen [ C] 27 / / / / 35 Kaltwassertemperaturen [ C] 18 / / 6 18 / 15 12,5 / 7 Leistungszahl COP [-] 0,56 0,62 0,56 0,70 Max. Leistungsaufnahme [W] zeno 2/08

5 Solar Cooling System Absorptionskältemaschine chillii PSC10 des Trainingscenter und Bürogebäudes BachlerAustria chillii Cooling Kit 12 Rückkühlung der Abwärme der Adsorptionskältemaschine. Die Kälteverteilung erfolgt durch die Lüftungsanlage, wo die Kälte über ein Kühlregister im Zuluftstrang der Küche abgegeben wird. Im Winter arbeitet die Maschine als Wärmepumpe, womit die Zuluft über ein Vorheizregister erwärmt wird. Fazit Thermische Kühlung mit Solarthermie, Fern- und Nahwärme, Prozessabwärme, BHKW-Abwärme oder Biomasse kann zu einer deutlichen Reduktion des Energieverbrauchs und der CO2 Emissionen führen. Wird allerdings auf ein Backup-System zurückgegriffen, das nicht auf erneuerbaren Energieträgern basiert, so steigt der Primärenergieverbrauch schnell wieder an. Grundsätzlich sollte der solare Deckungsgrad von solaren Kühlungssystemen über 70 Prozent liegen oder besser ein vollständiges solares Heizsystem vorliegen. Um die solaren Kühlungssysteme wirtschaftlich betreiben zu können, müssen die zusätzlichen Investitionskosten der thermischen Kältetechnik noch reduziert werden, was bei höheren Stückzahlen der kleinen Kältemaschinen sowie einem höheren Standardisierungsgrad über alle Leistungsbereiche durchaus zu erwarten ist. Bei einem generellen Trend zu größeren solarthermischen Anlagen im Wohnungsbau aber auch für Bürogebäude oder in der Industrie bieten dann kleine thermische Kältemaschinen gute Möglichkeiten, sommerliche Wärme effizient zu nutzen. Autor Dr. Uli Jakob promovierte auf dem Gebiet der Solaren Kühlung und war während dieser Zeit am Forschungszentrum Nachhaltige Energietechnik (zafh.net) an der HfT Stuttgart tätig. Er leitet seit 2006 den Bereich Solar Cooling bei der SolarNext AG, Rimsting. Kennwerte Auslegung Für die Auslegung einer solaren Kühlungsanlage gibt es zur ersten Abschätzung der benötigten Kollektorfläche einige Kennwerte. Der Mittelwert der spezifischen Kollektorfläche aller bisher installierten solaren Kühlungssysteme in Europa beträgt rund 3,0 m 2 /kw. Ein Wert von 3,5-4,5 m 2 /kw kann als Anhaltspunkt für thermisch angetriebene Ab- /Adsorptionskältemaschinen gelten. Bei den offenen Verfahren (DEC, Flüssigsorption) ist eine Angabe bezogen auf die Luftmenge üblicher; hier hat sich ein Wert zwischen 8 und 10 m 2 pro m 3 /h installierter Luftleistung als sinnvolle Größenordnung herausgestellt. Diese Werte sind grobe Anhaltspunkte und ersetzen keinesfalls eine detaillierte Anlagenauslegung. Kosten Die spezifischen Gesamtkosten von installierten solaren Kühlungssysteme in Europa (ohne Installationskosten und Kälteverteilung) lagen im Jahr 2007 bei der Verwendung von Absorptions- /Adsorptionskältemaschinen in einem Bereich zwischen und Euro/kW konnten aufgrund von ersten standardisierten solaren Kühlungspaketen nun Systempreise von Euro/kW realisiert werden, zukünftig sollten Euro/kW erreicht werden. zeno 2/08 53