Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH Kälte aus der Sonne – solarthermische...

Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH

Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen

Moritz Kuhn, Mathias Safarik, Lutz Richter

Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 2

Übersicht

Vorstellung Institut

Einleitung

Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung

Absorptionskälteanlage

Wirkungsweise

Marktangebot

Klein AKA Wegracal SE 15

Einkopplung der Solarwärme


ILK – Zahlen

Gegründet 1964

1980 Eingliederung ins Kombinat ILKA Luft- und Kältetechnik, Ausbau auf 500 Mitarbeiter

Wiedergründung 20.12.1990 aus der ILKA Luft- und Kältetechnik GmbH

Ab 1.10.1992 privatisiert mit dem Verein zur Förderung der Luft- und Kältetechnik e.V. als Gesellschafter

121 Festangestellte Mitarbeiter, 20 Professoren bzw. promovierte Mitarbeiter, 48 Dipl.- Ing. Universität/Hochschule, 22 Dipl.- Ing. Fachhoch-/Ingenieurfachschule, 31 Facharbeiter.


ILK – Auftragsstruktur

7 Mio. € Umsatz; 1/2 FFA und 1/2 Öffentliche Hand

AG im FFA-Bereich weltweit

Öffentliche Hand:

GEWIPLAN

PROINNO

SMWA

BMWI / Projektträger Jülich

BMBF / VDI / DESY

EU


Institutsstruktur

Kälte- und Tieftemperaturtechnik

Klima- und Energietechnik

Angewandte Neue Technologien

Klimatechnik

Meerwasserent-salzung

Luftreinhaltung

Kryotechnik

Kältetechnik

Größtes industrienahes Forschungsinstitut der Branche

unabhängig und neutral

fachübergreifende Zusammenarbeit


Hintergrund – Solare Kühlung

Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit von Menschen hängen von sauberer frischer Luft, mit der richtigen Temperatur und Feuchte ab.

Allein kleine Klimaanlagen unter 12 kW verbrauchten 1996 11.000 GWh an Primärenergie

Laut EU-Studien wird sich dieser Wert bis 2020 vervierfachen

Im Sommer extreme Spitzenlasten

Vorwiegend Kompressionskältemaschinen mit hohem Elektroenergiebedarf

Alternative: Nutzung von Solar- oder Abwärme durch thermische Kälteerzeugung


Umweltverträglichkeit einiger Kältemittel

ODP: Ozon Depletion Potential = Ozonzabbaupotential

GWP: Globel Warming Potantial = Treibhauspotential, direkt

TEWI: Totel Equivalent Warming Impact: Summe aus dem direkten und indirekten GWP


Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung

ThermischeSysteme

Wärme-trans-

formation

Thermo-mechanische

Prozesse

Thermo-kinetischeProzesse

OffeneSysteme

GeschlosseneSysteme

Feststoff-sorbentien

FlüssigeSorptions-

mittel

Feststoff-sorbentien

FlüssigeSorptions-

mittel

Adsorption Trocken-absorption

Rankinecycle/

Kompressor

Dampfstrahl-KM


Schema eines Trocknung- und Verdunstungskühlungsprozesses (DEC)

Produktunterlagen der Fa. Klingenburg, Gladbeck


Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung – DEC

Bewertung von DEC-Systemen

Vorteile

Trennung von Kühlung und Entfeuchtung möglich

niedrige Regenerationstemperaturen preiswerte Kollektoren (auch Luftkollektoren) einsetzbar

Nachteile

Größe der Anlagen

Strombedarf für Ventilatoren

Kühlung nur über Luftwechsel realisierbar (Kaltluftzufuhr)

nicht funktionsfähig bei hohen Außenluftfeuchten

nur für Klimakälte geeignet

© Produktunterlagen der Fa. Robatherm, Burgau


Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung – Adsorption

Schema einer Adsorptionskältemaschine

Quelle: www.gbunet.de


Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung – Adsorption

Bewertung von Adsorptionskältemaschinen

Vorteile

vergleichsweise niedrige Antriebstemperaturen

Erzeugung von Kaltwasser

Nachteile

Preis, Bauvolumen und Gewicht der Anlagen

Leistungsstufen: kleinste, bisher verfügbare Anlage 50 kW

erhöhter regelungstechnischer Aufwand

Adsorptionskältemaschine NAK 70Fa. Nishiyodo, Japan


Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung – Absorption Prinzip und Schema einer Absorptionskältemaschine

Absorptionskälteprozess

im log p - -1/T - Diagramm

Kompressionskälteprozess

im log p - -1/T - Diagramm


Vergleich der Arbeitsstoffpaare NH3/H2O und H2O/LiBr in Absorptionskälteanlagen

NH3/H2O H2O/LiBr Druck hohe Arbeitsdrücke im Überdruckgebiet Arbeitsbereich im Vakuumgebiet

bei 4 °C bei 34 °C

Sättigungsdruck 497,3 kPa 1312,2 kPa

0,81 kPa 5,32 kPa

Wärmeverhältnis bedingt durch notwendige Dephlegmation ca. 25 % schlechter als bei H2O/LiBr

einstufig ca. 0,6

höheres Wärmeverhältnis, da keine Dephlegmation und Rektifikation notwendig ist

einstufig ca. 0,75 Kälteerzeugung auch unter 0 °C möglich nur Klimakältebereich über 0 °C

Korrosion keine Cu-Werkstoffe höhere Korrosionsgefahr

Heizmedientemperatur bei hohen Heizmedien-temperaturen erhöhter Aufwand für Dephlegmation/Rektifikation

geringfügig geringere Heizmedientemperaturen erforderlich

bei hohen Heizmedien-temperaturen Kristallisationsgefahr

bei höheren Heizmedien-temperaturen „Double Effekt“-Schaltung möglich mit Wärmeverhältnis ca. 1,0

apparativer Aufwand Einsatz von Plattenwärmeübertragern bzw. kompakten Apparaten für die Wärme- und Stoffübertragung möglich.

erhöhter Aufwand für Dephleg-mation/Rektifikation des Kältemittels

Problem der Wasserrückführung aus dem Verdampfer Problem geeigneter Lösungsmittelpumpen für kleine

Anlagen

Einsatz kompakter Apparate durch geringe maximal mögliche Druckverluste und hohe Dampfvolumenströme bei Wasser erschwert

einfacherer Apparateaufbau infolge Wegfall Dephlegmation und Rektifikation möglich

infolge der Gestaltungs-möglichkeit mit Behälter-bauweise und keines Gefährdungspotenzials der Anlage kostengünstigerer Aufbau möglich

besondere Eigenschaften

giftig, brennbar erhöhte Anforderungen an die Sicherheit

entsprechend VBG 20 erforderlich

ungiftiges Arbeitsstoffpaar höhere Verdampfungsenthalpie des Kältemittels

Schlussfolgerung Einsatz im Normal- und Tiefkältebereich unter 0°C Einsatz im Klimakältebereich über 0°C


Abhängigkeit der Heizmedienaustrittstemperatur von der Kälteträgeraustrittstemperatur für SE- Absorptionskreisprozesse mit Ammoniak / Wasser

60

70

80

90

100

110

120

-15 -10 -5 0 5 10tKT,a [°C]

t HW

,a [°

C]

0,475

0,5

0,525

0,55

0,575

0,6

0,625

real

[ - ]

tHW,a

Ammoniak/Wasser

RB: tc=tAB=34°C; tHW,a=tG; tKT,a=to+3K; rL,max=16; ABS=0,5; =0,9; tLWÜ=5K


Abhängigkeit der Heizmedienaustrittstemperatur von der Kälteträgeraustrittstemperatur für SE- Absorptionskreisprozesse mit Wasser/LiBr

60

65

70

75

80

85

90

95

100

2 4 6 8 10 12 14 16tKT,a [°C]

t HW

,a [°

C]

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

rea

l [ -

]

m rL,max=16 m rL,max=30

tHW

Wasser/Lithiumbromid

RB: tc=tAB=34°C; tHW,a=tG+2K; tKT,a=to+3K; ABS=0,5; =0,9; tLWÜ=5K


Aufbau klassischer H2O/LiBr - Absorptionskältemaschinen

Fa. York


Marktangebot

Hersteller Heizwasser-ausführung

Kälteleistung [kW]H2O/LiBr NH3/H2O

Carrier X 150...8.800Axima X 200...6.000Broad X 174...11.630Broad 17,5...106Weir-Entropie X 100...1.000York X 200...4.800Trane X 350...7.000Cogenie x 35...281Phönix x 10EAW X 15...200Robur 17...88ILK/Partner X 20...500Colibri X 100...3.000Mattes/Siemens (?) X 80...3.000


Schema einer Single-Effect-Absorptionskältemaschine, Fa. EAW

KühlwasserEin

LIC Kaltwasser

Verdampfer

Absorber

LIC

Heizwasser

Kondensator

Generator

Lösungswärme-übertrager

LIC

LICKühlwasser

Aus

Lösungspumpe

Lösungspumpe


Spiralrohrwärmeübertrager

Besonderer Wärmeübertrager in kompakter Bauweise

Verbesserung des Wärmeübergangs


Entwicklungen des ILK – Produktspektrum SE-Absorptionskältemaschinen der Fa. EAW


H2O/LiBr-Absorptionskältemaschinen – Anwendungen und Referenzen

Typ Q0

[SE, ME] [kW]

Commerzbank Bielefeld SE 83 Sep 01 Gebäudeklimat.

Eugster/Frismag AG Amriswil Schweiz ME 50 Apr 01 Gebäudeklimat.

Kreiskrankenhaus Wolgast ME 200 Aug 01 Gebäudeklimat.

Autobahnraststätte Würzburg Süd SE 83 Nov 02 Gebäudeklimat. BHKWLandw. Unternehmen N. Wirsching, Rieth (Thüringen) SE 54 Aug 02 Stallklimatisierung Biogas BHKW

Telekom Immobilien München SE 140 Mai 03 Gebäudeklimat.

Berufstechnisches Zentrum Rohr ME 100 Sommer 03 Gebäudeklimat. BHKW

Nationalparkhaus Sächsische Schweiz, Bad SchandauSE 54 Mai 03 Gebäudeklimat. Solar und GasheizkesselBioInnovationszentrum DD SE 150 Dez 03 Gebäudeklimat. BHKW

Sondershausen-Sparkasse SE 50 Aug 03 Gebäudeklimat. BHKW

Pahren SE 50 Dez 03 Milchvorkühlung Biogas BHKW

Rhön-Klinikum Bad Berka ME 170 Nov 03 Klimatisierung ME-mit 0,8 HT-Anteil; MTU HotModule-Ankopplg.

Inbetrieb-nahme

Wärmequelle, BesonderheitenAnwendungOrt, Nutzer


Klein-Absorptionskältemaschine WEGRACAL SE 15

Wasser/Lithiumbromid – Absorptionskältemaschine mit einer Nenn-Kälteleistung von 15 kW

Kaltwassererzeugung

Wärmequellen: Solarwärme; BHKW-Abwärme; Fernwärme

Nutzung einer speziellen, bereits in größeren Anlagen bewährten Wärmeübertragergestaltung

Erster Prototyp seit 2003 in Betrieb

Auslegungsbedingungen : Heizwasser: 90 / 80 °CKühlwasser: 32 / 38 °CKaltwasser: 17 / 11 °C

→ Betrieb über weiten Bereich externer Temperaturen möglich


Wissenschaftlich begleitete Anlagen

Moosburg, Bayern- Flachkollektoren 42 m²- offener Verdunstungskühler- Warm- (1.5 m3) und Kaltwasserspeicher (0,8 m3)- Gebläsekonvektoren- Ersatzwärmequelle: Holzpelletkessel -> CO2-neutral!

Hamburg- Wärmequelle BHKW- offener Verdunstungskühler- Warm- und Kaltwasserspeicher- Heizung und Kühlung eines Verkaufsraumes über Fußbodentemperierung

Dresden, Sachsen- Vakuumröhrenkollektoren 45 m² - Trockenrückkühler - keine Wärme-/Kältespeicherung im Kühlbetrieb- Gebläsekonvektor zur Kühlung einer Versuchshalle


Rückkühlkonzepte für Absorptionskältemaschinen

Verdunstungskühlung+ Kühlgrenze: Feuchtkugeltemperatur

Bsp: 29,9°C; 31 % RH → 17,9 °C

+ geringer Energiebedarf für Ventilatoren

– Wasserbedarf

– Wartungsaufwand

Trockenrückkühler– Kühlgrenze: Lufttemperatur

Bsp: 29,9°C

– höherer Energiebedarf für

Ventilatoren

+ kaum Wartungsaufwand

+ kein Wasserbedarf

Quelle: Dierks

Quelle: Dierks


Solare Wärmeerzeugung für Absorptionskälte


Kälteleistung und externe Bedingungen


Einflussgrößen Kühllast – Ausrichtung und Sonnenschutz

Raumtemperatur in Abhängigkeit der Fassadenorientierung und des Sonnenschutzes

ohneinnenaußen

Berechnungsmonat Juli,Glasanteil Fassade 50 %,Sonnenschutz bei direkterStrahlung gezogen

Sonnenschutz:

20

30

40

50

60

Süden

Raumlufttemperatur in °C


Einflussgrößen Kühllast – Sonnenschutz

Wärmeschutz im Winter = Wärmeschutz im Sommer ???

k-Wert aller Fensterim Gebäude

JahresheizwärmebedarfQH‘‘ nach WSVO

maximale Gebäude-temperatur Sommer

[W/m2K] [kWh/m2a] [°C]

1.8 73.71 38.7

1.3 67.30 39.7

1.3 Südfensterbeschattet durchHorizontalblende

67.30 35.2

1.3 wie oben, zusätzlichJalousien an denübrigen Fenstern

67.30 30.3

=

=

=

=


Einflussgrößen Kühllast – Gebäudenutzung

Kühllastverlauf eines Hotels und eines Bürogebäudes in Palermo


Solare Kühlung – Vergleich Kühllast und Solarertrag

Kühllast eines Bürogebäudes in Freiburg und Einstrahlung (4.Juli; Wochentag)


Solare Kühlung – Simulation

Simulationsprogramme ermöglichen Abstimmung der einzelnen Komponenten komplexer Systeme

SolAC TRNSYS


Strahlungsangebot – Standort und jahreszeitliche Verteilung

Verteilung der solaren Wärmeerträge an den Standorten Potsdam (S, 45°) und Murcia (S, 30°)

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez0

1

2

3

4

5

6

7

4,44,5

8,1

9,7

11,212,0

10,710,2

9,08,7

6,3

5,1

0,41,1

5,9

10,6

15,416,6

15,615,1

10,8

5,7

2,00,8

Wär

mem

enge

[MW

h]

Wärmeertrag Potsdam (=24,7 MWh) Wärmeertrag Murcia (=57,3 MWh)

größte Tagessumme Einstrahlung

Potsdam (Süd, 30°): 8,59 kWh/m2

Murcia (Süd, 20°): 8,52 kWh/m2


Solares Heizen und Kühlen(solar combi-system plus)

Anlagenprinzipund Vorteile • Ganzjährige Nutzung der Kollektorfläche zum Heizen und Kühlen

• Hohe Versorgungssicherheit durch die Verwendung eines Backup-Systems

• Verwendung der gleichen Systeme zum Heizen und Kühlen


Kühllast – Solarertrag, Fazit

Komplexer Zusammenhang zwischen Kühllast und Solarertrag

Beträchtliche Reduzierung der Kühllast durch richtige Beschattung, dadurch auch ein Einsparpotential bei Kompressionskälteanlagen

Berechnung der Heiz- und Kühllast für konkretes Projekt erforderlich

sorgfältige Auslegung spart Investkosten, sichert Anlagenwirkungsgrad

ganzjährige Nutzung der Solarerträge steigert Wirtschaftlichkeit

Simulationsprogramme erleichtern bzw. ermöglichen Dimensionierung komplexer Systeme

Anlagen etablieren sich zunehmend erfolgreich am Markt

Wirtschaftlichkeit solarthermischer Kälteanlagen ist noch nicht gegeben

weitere Verbreitung auch von energiepolitischen Rahmenbedingungen sowie der Entwicklung anderer Technologien abhängig

Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH

Ende der Präsentation

Dipl. – Ing. Moritz KuhnKälte- und Tieftemperaturtechnik ________________________________________Tel.: +49 351 / 4081-686Fax: +49 351 / 4081-635E-Mail: [email protected]: www.ilkdresden.de

____________________________________

Institut für Luft- und KältetechnikGemeinnützige Gesellschaft mbHBertolt-Brecht-Allee 2001309 Dresden


Bsp. Zustandspunkte


Anlage 1 – Citrin Solar


Aufbau der solarthermischen Klimakälteanlage am ILK


Solare Kühlung – Simulation von Kollektorvarianten

Typischer Tagesverlauf ausgewählter Größen (klarer Sonnentag im Juli am Standort Huelva (E), 55 m2 - Vakuumröhrenkollektoren, Meerwasserkühlung)


Solare Kühlung – Simulation von Kollektorvarianten

Typischer Tagesverlauf ausgewählter Größen (klarer Sonnentag im Juli am Standort Huelva (E), 55 m2 - Parabolrinnenkollektoren, Verdunstungskühler)

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