FVS-Jahrestagung Energieeffizientes und solares Bauen Berlin 29.-30. 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
Inhalt: Motivation Techniken Kennzahlen Beispiele Entwicklungslinien
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
weltweit installierte Kühlleistung Installierte Kühlleistung (elektr.) in GW 300 250 200 150 100 50 128 GW 265 GW Verdopplung in 5 Jahren der installierten Leistung für Gebäudeklimatisierung Japan Asien ohne Japan Mittlerer Osten Europa USA 0 2001 2006 Quelle: U. Eicker und andere Sonstige (Afrika, Südamerika, Ozeanien)
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
Techniken solarer Kühlung solare Strahlung Kollektor Solarthermisches Kraftwerk Solarzelle offenes Sorptionskühlsystem geschlossene Ab-/Adsorptionskältemaschine Dampfstrahlkältemaschine Kompressionskältemaschine Peltierelement
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 Wärme @ T 2
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)
Desiccant Cooling System (DCS) offenes DCS COP 0,5 Luftauslass Lufteintritt COP = Luftmassenstrom*ΔH AuLu-ZLu Antriebsenergie Regenerator Quelle: Fa. Munters
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
Absorptionskältemaschine Stoffpaar: Wasser/wässrige Lithiumbromidlösung Quelle: Carrier kontinuierlicher Prozessablauf Austreiber Kondensator Absorber Verdampfer LiBr-Anlage Fa. York
Adsorptionskältemaschine Stoffpaar: Wasser / Silikagel Quelle: FhG-ISE diskontinuierlicher Prozessablauf Silicagel-Anlage Fa. Nishiyodo
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 60 90 C 160 180 C 80 120 C 60 90 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 50 500 kw
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 60 90 C 160 180 C 80 120 C 60 90 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 50 500 kw
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 60 90 C 160 180 C 80 120 C 60 90 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 50 500 kw
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
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
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
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
Förderprogramm: Solarthermie 2000 + (BMU) Beispiel: Technologie-Zentrum FESTO AG, Berkheim (Inbetriebnahme: 2007) 26.000 m² klimatisierte Fläche Energieeffizientes Gebäude: - Wärmeschutz-/Überhitzungsschutz - Lüftungssysteme - Betonkernaktivierung System: - 3 x 350 kw Adsorptionskältemaschine - freie Kühlung im Winter Kollektorfeld: 1.200 m² Vakuumröhren (nur-wasser-system) Technologie-Zentrum Quelle: FhG-ISE Photo: FESTO AG
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, http://www.solardach-barcelona.com/de/projekt.htm
Aktuelle Entwicklungsprojekte für Kälteleistungen < 20kW Wasser/LiCl interner ClimateWell Robur EAW Ammoniak/ Wasser SK SonnenKlima Rotarica Wasser/ LiBr ECN Wasser/ Silicagel SorTech AG
Einstufige, solar betriebene Absorptionskälteanlage von SK SonnenKlima Kälteleistung 2,5 15 kw bei Kaltwasser 18/15 C Antrieb von 50 90 C COP = 0,5 0,8 Heißwassertemp. [ C] 120 110 100 90 80 70 60 50 40 COP Heißwasser Vorlauf Rücklauf 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 5 10 15 Kälteleistung [kw] Kältezahl (COP)
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
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
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
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
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
Zusammenfassung Sorptionskältemaschinen Projekte Absorption, Adsorption, offene Systeme Großanlagen sind eine etablierte Technik <20 kw: aktuell mehrere Anlagenentwicklungen Entwicklung vordefinierter Systemkonzepte Demonstrationsprojekte (z.b. Solarthermie 2000 + ) 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
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit