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2008-02: Sommerkomfort im Büro- und Verwaltungsbau

Wassermanagement

Abbildung 1: Kelterei Possmann, ein Edelstahlbehälter wird nach Auslieferung des Apfelwein temporär für die Zwischenspeicherung von Regenwasser verwendet (Speicher mit blauem Schild)

Da Regenwasser auf jeder Liegenschaft anfällt, stellt sich die Frage, ob und wie Regenwasser für Kühlzwecke sinnvoll eingesetzt werden kann.

Kühlen mit Regenwasser

Von Mathias Kaiser*

Die Bundesregierung verfolgt im Kontext der Bemühungen um den Klimaschutz die Zielstellung den CO₂-Ausstoß bis zum Jahr 2020 um 40 % zu reduzieren. Dies erfordert in allen Bereichen gewaltige Anstrengungen zur Energieeinsparung.
Der überwiegende Teil der Kälteerzeugung wird heute elektrisch (rund 66.000 GWh) und nur ein kleiner Teil (11.000 GWh) nicht elektrisch erzeugt. Wegen des im Vergleich etwa zur Wärmeerzeugung immer noch niedrigen Wirkungsgrades bei der Stromerzeugung ist der Primärenergieeinsatz für die in Deutschland erzeugten 77.000 GWh Kälte- und Kühlleistung mit 236.000 GWh überproportional hoch. Er erreicht eine Größenordnung von rd. 5 % des Gesamtprimärenergieeinsatzes und verursacht rd. 46 Mio-t CO₂-Ausstoß, was etwa 5,4 % des bundesweiten CO₂-Ausstoßes ausmacht.
Prognosen der Europäischen Gemeinschaft zeigen ein weiterhin exponentielles Wachstum gekühlter (Gebäude-) Flächen auf. Es wird daher mit einer Steigerung allein des Energiebedarfes für die Raumklimatisierung von 2010 bis 2020 um 50 % gerechnet. Insgesamt wird ein Anstieg des Energieverbrauches für Kühlzwecke bis 2020 um das 2,6-fache erwartet.
Diese Entwicklung ist mit den o.g. Zielstellungen zum Klimaschutz nicht zu vereinbaren, sondern droht Erfolge bei der Energieeinsparung und Emissionsminderung in anderen Bereichen, wie etwa der wärmeschutztechnischen Gebäudemodernisierung oder dem Einsatz regenerativer Energieerzeugung aufzufressen.

Grundlage der Kühlung und Kälteerzeugung

Vom physikalischen Standpunkt aus gibt es keine Kälte, sondern nur ein Mehr oder Weniger an Wärme. Das heißt Kälte ist relativ und bedeutet „weniger warm als die Umgebung“. Für die Kühlung von Gebäuden gilt es daher zuerst, den Zustrom von Wärme möglichst zu verhindern (analog zum gebäudlichen Wärmeschutz, bei dem der Abstrom von Wärme zu verhindern ist).
Im zweiten Schritt ist dann die Wärme, deren Zustrom nicht verhindert werden kann, gezielt abzuführen.
Der Bereich Kühlung und Kälteerzeugung erstreckt sich auf ein breites Spektrum unterschiedlicher Anwendungen wie:

• Raumluftkonditionierung (Büro, Produktion, Lagerhaltung)
• Haltbarmachung von Nahrungsmitteln und anderen verderblichen Produkten
• Abführung von Reaktionswärme z.B. chemischer Prozesse
• Kühlung von Maschinen und Werkzeugen
• Kühlung von elektronischen (EDV) und diagnostischen Geräten (Sensoren)

Neben den Temperaturniveaus und den Temperaturspreizungen zwischen Ist- und Solltemperaturen ist dabei der jahres- und tageszeitliche Verlauf des Kühlbedarfs je nach Nutzungsanforderungen sehr unterschiedlich. Insbesondere das angestrebte Temperaturniveau ist bei konventionellen Kühl- und Kälteerzeugungstechniken entscheidend für den energetischen Wirkungsgrad des Kühlsystems. So können mit einer Kompressionskältemaschine Tiefkühltemperaturen von –18°C und mehr erreicht werden. Allerdings ist hier das Verhältnis von eingesetztem Strom zu erzeugter Kälte mit einem Verhältnis von 1:3 wenig effizient. Die Kombination einer Kältemaschine mit einem Kühlturm (Verdunstungskälte) verbessert dieses Verhältnis auf 1:18. Der Einsatz dieser Technologie ist jedoch auf Temperaturniveaus von minimal +15°C beschränkt. Ein Kühlturm erreicht Wirkungsgrade von 1:100, ist jedoch erst ab Solltemperaturniveaus von +27°C alleine einsetzbar. Die große Spannbreite beim Energieverbrauch von Anlagensystemen zur Kühlung und Kälteerzeugung auf der einen und die für den Einsatz für Kühlzwecke besonders günstige Beschaffenheit von Regenwasser (wegen des hier gegenüber Trinkwasser aus dem Versorgungsnetz geringeren Anteils gelöster Stoffe kann eine Aufbereitung entsalzen – enthärten entfallen) gibt Anlass, nach Wegen des Einsatzes von Regenwasser zu suchen.
Die beiden im folgenden dargestellten Beispiele zeigen unterschiedliche Ansätze beim Ein-satz von Regenwasser zur Kühlung in Industrie und Gewerbe auf.

Abbildung 2: Firma Artech, Betriebsgebäude mit vorgelagerter Versickerungsanlage

Praxisbeispiel Firma Artech in Dortmund

Die Firma Artech stellt Gehäuse für Druckerpatronen im Kunststoffspritzgussverfahren her (siehe Abbildung 2). Dabei gelten hohe Anforderungen an die temperaturkonstante Kühlung der Spritzgussköpfe. Außerdem ist die sogenannte Hydraulikabwärme der Materialführungsmaschinen abzuführen und die Luft in den Produktionsgebäuden den Anforderungen des Arbeitsschutzes entsprechend zu konditionieren. Die dafür erforderliche Kühlleistung wurde ursprünglich mit Hilfe von Kompressionskältemaschinen erbracht. Im Rahmen der Bemühungen im Emschergebiet, die Niederschlagswasserabflüsse befestigter Flächen vom Kanalnetz abzukoppeln, wurde nach Möglichkeiten einer dezentralen Regenwasserbewirtschaftung auf dem Betriebsgrundstück gesucht.
Das Niederschlagswasser wird dabei in einer 250 m3 großen Zisterne gespeichert, als Kühlwasser in die Kühltürme eingespeist und dort verdunstet. Damit werden rd. 1.000 m3 Trinkwasser substituiert. Als besonderer Vorteil hat sich hier die gegenüber dem Einsatz von Trinkwasser weniger aufwändige Aufbereitung des eingesetzten Regenwassers herausgestellt. Es genügt eine mechanische Filterung und ein einfacher Aktivkohlefilter. Ein Entsalzen (Herauslösen gelöster Stoffe mit Hilfe des Einsatzes von Chemikalien) kann entfallen.
Das überschüssige, für Kühlzwecke nicht benötigte Regenwasser wird in ein nachgeschaltetes Mulden-Rigolen-Element abgeleitet und versickert. Neben Trinkwasserbezug und –aufbereitung wird auf diese Weise auch die bisher fällige Regenwassergebühr in Höhe von etwa 5.000,- € p.a. eingespart.

Abbildung 3: Kelterei Possmann, Gegenstromwärmetauscher Regenwasser – Apfelwein

Praxisbeispiel Apfelweinkelterei Possmann in Frankfurt am Main

Bei der Apfelweinhalterei Possmann wird das Regenwasser zur Kühlung des frisch gekelterten Apfelweins auf die Lagerhaltungstemperatur eingesetzt (siehe die Abbildungen 3). Dazu wird das Dachflächenwasser der rd. 5.000 m² großen Betriebshalle in einem 200 m³ großen Tank gespeichert. Der Apfelwein wird in einem Gegenstromwärmetauscher mit dem Regenwasser gekühlt. Das auf 30 – 38 °C erwärmte Regenwasser wird anschließend auf das mit einer speziellen Bepflanzung versehene Flachdach gepumpt. Das warme Regenwasser fließt bei einem zweiprozentigen Dachgefälle über den Pflanzenbewuchs bzw. lateral durch das Bodensubstrat rd. 40 m bis zur gegenüberliegenden Dachseite.
Auf dem Weg dorthin kühlt sich das Regenwasser in Abhängigkeit von Witterung und Tageszeit in den Sommermonaten auf 15 - 25 °C und im Winter auf unter 10 °C ab. Anschließend wird es über eine automatische Grobstoffabscheidung und einen Feinstofffilter wieder in den Speichertank zurück geleitet. In den Monaten Dezember bis März, wird bei einem Durchsatz von 120 m³ Regenwasser pro Stunde, die gesamte erforderliche Kühlleistung über dieses System erbracht. In den Monaten April bis November wird das System durch das phasenweise Hinzuschalten einer Kompressionskältemaschine ergänzt.
Wenn in den Wintermonaten die Apfelweinlagerbestände zurückgehen, wird in vier Apfelweintanks mit jeweils 200 m³ Fassungsvermögen ein Regenwasservorrat von insgesamt 1.000 m³ für den Sommerkühlbetrieb, bei dem ein erhöhter Verdunstungsverlust auftritt, angelegt.
Die Anlage ist seit 1991 erfolgreich in Betrieb und hat den Energieeinsatz zur Kühlung erheblich reduziert.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Nachfrage nach Gebäude- und Prozesskühlung, wird aller Voraussicht nach in Zukunft weiter hohe Wachstumsraten aufweisen.
Die zu erwartende Energiepreisentwicklung und politische Zielsetzungen zum Klimaschutz werden in noch stärkerem Maße als bisher energieeffiziente Systeme und Techniken auch im Kühlbereich einfordern. Die hohe Bedeutung von Wasser bei energieeffizienten Kühltechniken und das universelle Vorkommen von Regenwasser bieten günstige Voraussetzungen für den vermehrten Einsatz zur Kühlung.
Im Bereich konventioneller Techniken eignet sich der Einsatz von Regenwasser, wegen des geringen Gehalts an gelösten mineralischen Stoffen, die eine Aufbereitung (Enthärten, Entsalzen) oftmals überflüssig machen, besonders für den Einsatz in Kühltürmen.
Neu zu erschließende Potenziale sind im Bereich der passiven Kühlung zu sehen (siehe Kelterei Possmann). Hier sind jeweils Systeme zu entwickeln die differenziert auf die spezifischen Anforderungen vor Ort abgestellt sind und die objektspezifischen Potenziale zielgerichtet ausschöpfen.
Eine Vielzahl realisierter Projekte und experimenteller Forschungsvorhaben zeigen, dass sich diese neben der Industrie auch auf Gewerbe-, Büro- und Wohnnutzungen erstrecken.
Um diese Potenziale in der Praxis realisieren zu können, sind sowohl Klimatisierungs- und Kühlanlagenplanung als auch Regenwassernutzung aus dem Stand nachgeschalteter Technikplanungen herauszuführen und angepasste ressourcenschonende Konzepte in Zusammenarbeit mit Architekten und Fertigungsplanern in möglichst frühem Planungsstudium zu entwickeln.

*)Dr.-Ing. Mathias Kaiser ist seit 1994 selbstständig als Inhaber des INGENIEURBÜRO M. KAISER tätig und führt regelmäßig Gastvorlesungen und Seminare an verschiedenen Hochschulen und Technischen Akademien durch, www.buero-mkaiser.de [^]

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2008-02: Sommerkomfort im Büro- und Verwaltungsbau

Solare Kühlmaschinen

Abbildung 1: Silikagel

Neben Absorptionskälteanlagen mit den Arbeitsstoffpaaren LiBr/H₂0 und NH₃/H₂0 eignen sich gleichwohl Kältemaschinen mit festen Sorbentien, so z. B. Silikagel, zur Kälteerzeugung aus Abwärme von Industrieprozessen, Wärme von BHKW und mit Hilfe von Solarthermie.

Adsorptionskältemaschine auf Silikagel-Basis
Kleine und leistungsstarke Klimageräte der SorTech AG

Von Walter Mittelbach*

Galten noch vor kurzer Zeit Adsorptionskälteanlagen als ineffizient, voluminös und teuer, so steht nun mit den Anlagen der SorTech AG eine marktfähige und nachweislich kundentaugliche Technologie für umweltverträgliche Klimatisierung im privaten und kleingewerblichen Bereich zur Verfügung.
Die SorTech hat sich der Entwicklung von kompakten und leistungsstarken Adsorptionskälteanlagen im kleinen Leistungsbereich verschrieben. In zahlreichen Feldtests wurden die ersten Prototypen mit einer Kälteleistung von 5,5 kW während der Kältesaison 2007 hinsichtlich ihrer praxisnahen Performance, Zuverlässigkeit und Optimierungspotenziale bewertet. Daraus resultierende Erkenntnisse konnten bereits erfolgreich in der neuen Produktgeneration, der ACS 08, integriert werden (Abbildung 3). Mit einer Kälteleistung von 7,5 kW verfügt sie nicht nur über eine gesteigerte Kälteleistung, ihr Gewicht und Volumen konnten ebenfalls merklich reduziert werden.

Die Wirkungsweise der Adsorptionskältemaschine

Das grundlegende Funktionsprinzip der Kälteerzeugung ist die Verdichtung des Kältemittels, das bei niedrigen Temperaturen und Drücken verdampft und dabei Wärme aufnimmt. Bei einem höheren Temperatur- und Druckniveau kondensiert es wieder und gibt die zuvor aufgenommene Wärme wieder ab. In flüssiger Form kann es dann wieder der Verdampfung zugeführt werden. In Adsorptionskältemaschinen erfolgt die Verdichtung des Kältemittels Wasser thermisch durch zyklische Ad- und Desorption von Wasserdampf am Adsorbens Silikagel. Das Funktionsprinzip kann wie folgt beschrieben werden:

Abbildung 2: Funktionsprinzip + Legende

Desorption

Durch Wärmezufuhr wird das Adsorbens getrocknet. Dabei wird Wasserdampf freigesetzt und strömt in den Kondensator, wo es verflüssigt wird. Hierbei wird Wärme abgegeben, die über eine geeignete Rückkühleinrichtung an die Umgebung abzuführen ist. Wenn das Adsorbens ausreichend getrocknet ist, wird die Wärmezufuhr gestoppt und die obere Rückschlagklappe schließt sich.

Adsorption

Anlagerung von Wasserdampf an das Adsorbens: Nach einer Abkühlungsphase erfolgen die Rückreaktion und die Verdampfung des flüssigen Kondensats. Die untere Rückschlagklappe zum Verdampfer öffnet sich und das getrocknete Adsorbens saugt Wasserdampf an. Im Verdampfer wird Kaltwasser erzeugt, welches für die Klimatisierung genutzt wird. Während des Adsorptionsprozesses wird Wärme freigesetzt, die ebenfalls abgeführt werden muss.

Rückführung des Kondensats

In einem abschließenden Schritt wird das Kondensat wieder dem Verdampfer zugeführt und der Kreislauf somit geschlossen.
Um kontinuierlich Kälte zu erzeugen, werden zwei Adsorber antizyklisch betrieben. Das heißt, während der Desorptionsphase in einem Adsorber erfolgt die Adsorptionsphase im zweiten Adsorber zur Kälteerzeugung.

Konstruktionsweise

Die SorTech AG hat zwei Konstruktionsprinzipien entwickelt und zum Patent angemeldet, durch die ein kompakter und leichter Aufbau der Anlage ermöglicht wird.

Beschichtung der Adsorberwärmeübertrager mit Silikagel:

Um eine gute Wärmeübertragung im Adsorber und somit eine hohe spezifische Leistung der Adsorptionskältemaschine zu erreichen ist es notwendig, dass das granulatförmige Silikagel direkt auf der Wärmetauscheroberfläche aufgebracht wird. Dies wird durch eine Beschichtung der Wärmeübertrager mit Epoxidharz erreicht, wobei das Silikagel direkt auf die Wärmetauscheroberfläche geklebt wird. Neben Silikagel können prinzipiell alle granulatförmigen Materialien auf diese Weise beschichtet werden.

Kompakte, selbsttragende Konstruktion:

Die für die evakuierten Prozesskammern aus statischen Gründen normalerweise notwendigen großen Wandstärken wurden substituiert. Stattdessen stützt sich vakuumdicht verschweißtes Dünnblech als Einhausung direkt an der inneren Struktur der Einbauten ab. Somit zeichnen sich die Anlagen durch sehr geringen Materialeinsatz aus, was sich positiv auf Leistungsgewicht und –volumen auswirkt. Entsprechend der Leistungsklasse zeichnen sich die Aggregate somit durch eine einfache und sehr kompakte Bauweise aus.

Die erste Generation von Demoanlagen

In der Kühlperiode 2007 wurden verschiedene Pilottests mit Prototypen der Baureihe ACS 05 durchgeführt. Die Standorte lagen in Deutschland, Österreich und Spanien. Zwei Pilotprojekte wurden derart ausgeführt, dass eine Doppelnutzung – als Kältemaschine und Wärmepumpe – möglich war. Als Antriebsquelle wurde hauptsächlich Solarthermie genutzt. Die Nutzung der erzeugten Kälteenergie erfolgte überwiegend mittels Flächenkühlung, was aufgrund der somit gewählten hohen Kaltwassertemperaturen von 15 bis 18°C einem effizienten Betrieb der Kältemaschine prinzipiell entgegenkommt. Neben der bekanntesten und gebräuchlichsten Methode der Rückkühlung mittels einfachen trockenem Rückkühler, wurde explizit der trockene Rückkühler mit Frischwasser-Besprühfunktion gestestet und optimiert.

Resultate

Bei fast allen Pilotanlagen konnte eine, über den Betrachtungszeitraum weitestgehend gleichbleibende Kälteleistung gemessen werden. Alle installierten Prototypen arbeiteten während der vergangenen Kühlperiode zuverlässig ohne gravierende Störungen oder Totalausfälle. Insbesondere die in der Praxis häufig anzutreffenden inhomogenen Antriebstemperaturen – dies gilt insbesondere für die Solare Kühlung – haben keinen negativen Effekt auf eine zufriedenstellende Performance. Gerade bei niedrigen Antriebstemperaturen von 65°C-75°C arbeitet die ACS 05 schon mit solidem Wirkungsgrad. Selbst in den wärmeren Klimazonen, wie z.B. Spanien, ist dies ein entscheidender Vorteil der Adsorptionstechnologie.
Mit diesen Ergebnissen hat die Technologie ihre Marktauglichkeit bewiesen. Die Weiterentwicklungen bei SorTech zielen im Folgenden darauf ab, eine über die gesamte Lebensdauer hinweg gleichbleibende Performance sicherzustellen. Zudem zeigte sich, dass in vielen Fällen die gewählte Leistungsklasse 5 kW etwas zu gering war. Aus diesem Grund wurde bereits in 2007 damit begonnen, eine neue Produktgeneration der Kältemaschine mit einer um ca. 50 % höheren Kälteleistung zu entwickeln und zur Marktreife zu führen. Das so entstandene Produkt, die ACS 08, weist mit einer Nenn-Kälteleistung von 7,5 kW eine für zahlreiche Anwendungen sinnvollere Dimension auf. Diese Kältemaschine ist besonders für die Gebäudeklimatisierung im privaten und kleingewerblichen Bereich geeignet.
Zudem wurden sowohl maschineninterne Druckverluste als auch Gerätevolumen und –gewicht maßgeblich reduziert.

Abbildung 3: SorTech Adsorption Chiller S 08 (ACS 08) mit einer Nennkälteleistung von 7,5 kW für den kleinen Leistungsbereich

Effizienzsteigerung und Komplexitätsreduzierung

Thermodynamisch bedingt ist der mittels Adsorptionstechnologie zu realisierenden thermische COP geringer als bei Absorptionskälteanlagen. Dem entsprechend wichtig ist, das für den Endanwender letztlich entscheidende Kriterium – der „elektrische COP“ – d.h. den elektrischen Wirkungsgrad des Systems in den Fokus zu stellen. Ob das Gesamtsystem „Solare Kühlung“ also energetisch und folglich auch monetär sinnvoll ausgeführt ist, entscheidet maßgeblich die Dimensionierung und Auswahl der zusätzlich notwendigen elektrischen Verbraucher, allen voran die eingesetzten Pumpen und die Rückkühlerlüfter.
Um Fehler bei Auswahl und Dimensionierung zu reduzieren, wurde ein Standard-Rückkühler definiert und weiterentwickelt, der zusammen mit einer ausführlichen Planungshilfe zur Ausführung eines energetisch sinnvoll gestalteten Rückkühlstrangs beitragen soll. Nach bisherigen Abschätzungen und Berechnungen sind so elektrische Wirkungsgrade von > 10 darstellbar.
Basis hierfür ist der von SorTech angebotene Trockene Rückkühler RCS 08 mit bedarfsgerecht geregelter EC-Lüftertechnologie und punktuell einsetzender Frischwasserbesprühung. Hierbei werden die Vorteile von trockener Kühlung und Verdunstungskühlung sinnvoll kombiniert. Unter Einsatz von nur 4 m³ Frischwasser pro Kühlperiode und durch nahezu wartungsfreien Betrieb ist dieser Rückkühltyp sowohl dem Nasskühlturm als auch dem einfachen trockenem Rückkühler überlegen.

Fazit

Abschließend kann festgestellt werden, dass die in 2007 durchgeführten Feldtests wichtige Erkenntnisse lieferten, die bereits in der aktuellen Produktreihe der ACS 08 Berücksichtigung gefunden haben. Grundsätzlich hat sich die Praxistauglichkeit der von SorTech entwickelten Adsorptionskälteanlagen bestätigt. Mit Vermeidung der benannten Fehlerquellen ist eine energetisch optimale Ausführung des Gesamtsystems möglich und somit eine marktfähige Kostenposition erreichbar.

*)Dr. Walter Mittelbach ist Vorstand der SorTech AG, Deutschland, www.sortech.de [^]

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2008-02: Sommerkomfort im Büro- und Verwaltungsbau

Solare Kühlmaschinen

Abbildung 1: Passivhausqualität ist auch bei Mehrfamilienhäusern umsetzbar

Die Idee, mit der Sonne zu kühlen, ist über 150 Jahre alt. Bereits 1850 wurde die erste auf dem Prinzip der periodischen Absorptionskühlung basierende künstliche Kältemaschine von Edmond Carré in Betrieb genommen und bei der Weltausstellung am 29. September 1878 in Paris demonstriert.

Kühlen mit der Sonne: Solare Absorptionskältemaschine

Von Werner Pink*

Praktisch angewendet werden solche Maschinen auch heute – hauptsächlich im Bereich von mehreren 100 kW Kälteleistung. Im kleinen Leistungsbereich findet man kaum marktgängige Maschinen. Nun beginnen die intensiven Entwicklungsbemühungen seitens engagierter Forschungseinrichtungen und Firmen zu fruchten. Ein Beispiel für eine erfolgreiche Entwicklung stellt die Absorptionskältemaschine chillii^®PSC 10 der Firma Pink dar.
Der weltweite Kältemarkt wird von elektrisch betriebenen Kompressionskältemaschinen dominiert. Die Gründe dafür sind einfach: Die Technik ist billig in Massen verfügbar und einfach anzuwenden. Diese Technologie bringt aber auch nennenswerte Nachteile mit sich: Die Geräte haben einen erheblichen Stromverbrauch, was aufgrund der immer massiver werdenden Engpässe bei der Erzeugung und der Verteilung der Energie zu Problemen führt. Weiters geht mit der Erzeugung von Strom zwangsläufig der Ausstoß von klimaschädlichem CO₂ einher. Nach wie vor basieren zwei Drittel aller weltweit eingesetzten Kraftwerksprozesse auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Ganz abgesehen von den in Kompressionskältemaschinen verwendeten Kältemitteln, welche aufgrund von Leckagen in die Atmosphäre gelangen. 5 bis 15 % der Füllmenge entweicht jährlich aus den Maschinen und trägt durch einen bis zu 2000-mal höheren GWP-Index als reines CO₂ zur Erderwärmung bei.

Solare Kühlung als nachhaltige Alternative

Aktive Klimatisierung mittels solar angetriebener Sorptionskältemaschinen stellt eine interessante nachhaltige Alternative dar. Diese Anlagen verwenden natürliche Kältemittel und haben einen geringen Stromverbrauch. Die Betriebskosten sind sehr niedrig und die CO₂-Bilanz ist im Vergleich zu Kompressionskältemaschinen deutlich besser.
Die solare Einstrahlung und die äußeren Kühllasten sind in weiten Bereichen sowohl über das Jahr als auch im Tagesverlauf deckungsgleich. Ein Antrieb der Sorptionskältemaschine mittels Solarenergie kann somit im Allgemeinen gut realisiert werden.

Entwicklung einer kleinen Absorptionskältemaschine

Basierend auf den Untersuchungen des Herrn Dr. Podesser wurde bei der Firma Pink mit Unterstützung der Firma SolarNext AG die kleine Absorptionskältemaschine „chillii^®PSC 10“ mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Wasser entwickelt.
Die Maschine zeichnet sich durch ihre kompakten Abmessungen von 0,8 x 0,6 x 2,2 m (Breite x Tiefe x Höhe) aus, das Betriebsgewicht beträgt rund 350 kg. Als Wärmequelle kann eine thermische Solaranlage mit Flach- oder Röhrenkollektoren, Nah- und Fernwärme sowie Abwärme aus Blockheizkraftwerken oder anderen Prozessen herangezogen werden. Im Sinne eines ökologischen und ökonomischen Gesamtoptimums ist auf die CO₂-Neutralität sowie die möglichst kostengünstige Verfügbarkeit zu achten.
Durch die Verwendung des Kältemittels Ammoniak und die besondere Maschinenkonstruktion ergeben sich folgende Vorteile:

• Es können weite Kaltwassertemperaturbereiche abgedeckt werden. Von der Soleproduktion im negativen Temperaturbereich bis zur Erzeugung von Kaltwasser für Fan-Coils oder Kühldecken reicht das Anwendungsgebiet. Die Maschinenregelung passt die Lösungskonzentration automatisch an die unterschiedlichen Betriebspunkte an.
• Die großzügig dimensionierten Lösungssammler erlauben der Maschine ein überaus elastisches Verhalten in Bezug auf sich ändernde Temperaturniveaus, was vor allem im Solarbetrieb sehr wesentlich ist.

In Tabelle 1 sind exemplarisch die Temperaturtripel bei 10 kW Kälteleistung für zwei Betriebsarten an zwei europäischen Orten dargestellt.

Tabelle 1: Temperaturniveaus des chillii^®PSC10 für 10 kW Kälteleistung an zwei europäischen Orten

Spezielle Lösungspumpe

Standardmäßige Zentrifugalpumpen können in kleinen, kontinuierlich arbeitenden Absorptionskältemaschinen mit dem Arbeitspaar Ammoniak/Wasser nicht eingesetzt werden, da sie einen geringen Wirkungsgrad aufweisen und die Dichtungen nicht die erforderliche Standzeit haben. Die Verwendung von Zahnradpumpen ist aufgrund des hohen Verschleißes und der großen Lärmentwicklung nicht möglich. Kommerziell erhältliche Kolbenmembranpumpen erfüllen zwar die Anforderungen dieser Anwendungen, sind jedoch groß, schwer und kosten 30 bis 40 % des gesamten Aggregats.
Ein entsprechendes Pumpaggregat wurde für diesen Zweck entwickelt und erfolgreich in mehreren Maschinen eingesetzt. Der Membrankopf mit den Plattenventilen ist auf einem kommerziell verfügbaren Mitteldruck-Kolbenpumpe aufgesetzt. Die freischwingende Membran wird durch einen Ölpolster bewegt. Die Antriebskraftübertragung erfolgt durch einen Keilriemen von einem Asynchronmotor mit einer Leistungsaufnahme von ca. 0,25 kW. Der Ansaug- und Auslassdruck beträgt 2 bis 20 bar.

Fallfilmabsorber und -verdampfer

Zur Realisierung eines kompakten Absorber-Wärmetauschers mit hohen Stoff- und Wärmeübertragungsdichten ist die chillii® PSC Absorptionskältemaschine mit einem eigens entwickelten Fallfilmabsorber ausgestattet. Ein Verteilsystem versorgt die Innenseiten der Wärmetauscherrohre mit einer definierten Menge der armen Lösung. Die Fallgeschwindigkeit und die Filmdicke werden durch spezielle Einbauten in den Rohren gesteuert.
Die Vorteile der Fallfilmtechnik wurden auch auf den Verdampfer des chillii^®PSC angewendet. Der vertikale Rohrbündelverdampfer wird von oben über ein selbst entwickeltes Einspritzsystem mit Kältemittel versorgt. Somit kann der Verdampfer trocken betrieben werden, was ein periodisches Abfluten aufgrund des Restwassergehalts im Kältemittel überflüssig macht.

Prüfstand

Am neuen Prüfstand bei Pink, welcher im Sommer 2007 in Betrieb genommen wurde, können die Leistungsdaten und Kennfelder jeder beliebigen thermisch angetriebenen Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einer Rückkühlleistung von bis zu 60 kW aufgenommen werden (vgl. Abbildung 2). Der Kaltwasserkreis ist für einen Betrieb mit Sole vorbereitet, um Betriebspunkte mit Kaltwassertemperaturen unter 4°C messen zu können. Der Prüfstand ist zur Gänze über eine SPS mit Rechneranbindung geregelt und fernsteuerbar. Die Datenaufzeichnung aller relevanten Temperaturen, Volumenströme und anderer Prozessparameter erfolgt permanent.

Abbildung 2: Prüfstand für thermisch angetriebene Kältemaschinen und Wärmepumpen bei Pink

Messergebnisse

Während der letzten Monate wurden laufend Messungen an den neuesten chillii^®PSC10 Absorptionskältemaschinen vorgenommen, um ein komplettes Kennfeld der Maschine für unterschiedliche Kaltwassertemperaturen zu erstellen.
Somit wurden Kennfelder für den Betriebspunkt „Kühldecke“ mit Kaltwassertemperaturen von 18/15°C sowie für den Punkt „FanCoil“ mit einem Temperaturniveau im Kaltwasser von 12/6°C ermittelt. Die Kennfelder enthalten den Leistungs- und COP_therm-Verlauf bei Antriebstemperaturen von 65°C bis 95°C sowie Rückkühltemperaturen von 24°C bis 36°C. Die Spreizungen wurden durch Regelung des Massenstromes im Heißwasserkreis auf 7 K und im Rückkühlkreis auf 5 K konstant gehalten.

Abbildung 3: Kennfelder für die Kälteleistung der chillii® PSC 10 Absorptionskältemaschine für die Betriebspunkte „Kühldecke“ (a) sowie „FanCoil“ (b)

Die Messungen zeigen sehr deutlich den weiten Einsatzbereich der chillii^®PSC 10 Absorptionskältemaschine. Selbst bei sehr niedrigen Antriebstemperaturen ist die Maschine in der Lage, Klimakälte auf hohem Leistungsniveau zur Verfügung zu stellen.

Anlagenbeispiel

Der bekannte Generalvertreter namhafter Marken der Solar-, Heizungs- und Umwelttechnik, Herbert Bachler, erhielt für die Temperierung der Büros und Seminarräume im 2006 neu errichteten Schulungszentrum in Gröbming (Steiermark) eine chillii®PSC Absorptionskältemaschine. Die für die rund 160 m² zu kühlende Fläche ermittelte Kühllast beträgt 9 kW. Die Kälteverteilung erfolgt durch eine massive Kühldecke, das Temperaturniveau auf der Kaltwasserseite beträgt 19/16°C. Die Decke enthält keinen eigenen Kaltwasserkreis, die Kältemaschine kühlt das Heizungswasser und arbeitet direkt auf den Heizungsverteiler. Die chillii^®PSC Absorptionskältemaschine wird mittels einer thermischen Solaranlage mit 46 m² Brutto-Kollektorfläche betrieben. Auf der Heißwasserseite stehen drei Energiespeicher mit je 1.500 Liter Inhalt zur Verfügung. Auf einen Kaltwasserspeicher kann verzichtet werden, da die aktivierte Betondecke genügend Speichermasse enthält. Die Rückkühlung erfolgt über einen Nasskühlturm, welcher sich in unmittelbarer Nähe der Kältemaschine an der Westfassade des Gebäudes befindet. Da auch die Absorptionskältemaschine im Freien aufgestellt ist, können die Rohrleitungslängen in dem am stärksten durchflossenen Hydraulikkreis sehr kurz gehalten werden. Das minimiert die Druckverluste und hilft aktiv mit, Pumpstrom zu sparen.
Die chillii^® Absorptionskältemaschine wird bereits bei geringen Einstrahlungen ab einer Heißwassertemperatur von 65°C betrieben. Sollte der Energieeintrag durch die Sonne nicht genügen, um die erforderliche Kühllast zu decken, steht ein auf das Speichersystem wirkendes Biomasse-Backup zur Verfügung. Dieses wird jedoch nur in der Anlagenbetriebsart „Komfortkühlung“ angefordert, im Regelfall wird bei fehlender Einstrahlung auf eine Kühlung verzichtet.

Systemdesign

Die Erfahrungen aus den bereits realisierten Gesamtsystemen haben gezeigt, wie wesentlich eine sorgfältige Planung der Hydraulik sowie der Regelungsstrategie ist. Die thermisch angetriebenen Kältemaschinen können ihr Leistungspotenzial nur dann voll entfalten, wenn die Rahmenbedingungen dies zulassen. Aufgrund der für den Solar- und Heizungsbereich unüblichen Spreizungen und Temperaturniveaus passieren in der Praxis seitens der Planung, Komponentenauswahl und Installation immer wieder Fehler, welche die Leistungsfähigkeit bzw. die Energieeffizienz der Systeme stark einschränken. Eine umfassende und ganzheitliche Betrachtung jeder einzelnen Anlage ist für eine maximale Kundenzufriedenheit und den damit verbundenen weiteren Erfolg der Technologie ausschlaggebend. Pink trägt diesem Umstand Rechnung und liefert in Kooperation mit SolarNext komplette „SolarCooling-Kits“.

Nächste Entwicklungsschritte

Im Hause Pink ist neben der weiteren Optimierung der 10-kW-Maschine die Entwicklung einer Anlage mit rund 20 kW Kälteleistung bereits angelaufen. Basierend auf den umfangreichen Messungen und Analysen der chillii^®PSC 10 Absorptionskältemaschine wurden Potenziale identifiziert, welche eine weitere Steigerung der Kälteleistung bei gleich bleibenden Abmessungen erwarten lassen. Aufbauend auf die Erfahrungen der optimierten 10-kW-Maschine werden noch im Jahr 2008 erste Prototypen mit doppelter Kälteleistung verfügbar sein.

*)Dipl.-Ing. (FH) Werner Pink ist geschäftsführender Gesellschafter der Firma Pink GmbH, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! [^]

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2008-02: Sommerkomfort im Büro- und Verwaltungsbau

Nachhaltige Gebäude

Abbildung 1: Passivhausqualität ist auch bei Mehrfamilienhäusern umsetzbar

In den vergangenen Jahren fand die Passivhaustechnologie immer weitere Anwendungsbereiche im Bauwesen. Die Programmlinie „Haus der Zukunft“ initiiert vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie unterstützt diesen Markteinführungsprozess.

Große Wohnanlagen in Passivhausqualität

Von Waldemar Wagner*

Die hier beschriebenen Wohnanlagen befinden sich alle im Großraum Wien und wurden Ende 2006 bzw. Anfang 2007 fertiggestellt und bezogen. Im Folgenden wird eine Übersicht über die einzelnen Bauwerke und die darin enthaltenen Haustechniksysteme dargestellt.

Messergebnisse

Die bisherigen Messungen ergaben, dass die Raumtemperaturen nicht nur deutlich zwischen den einzelnen Wohnanlagen, sondern auch unter den einzelnen Wohnungen innerhalb der Bauwerke variieren. Diese gebäudeinternen Differenzen resultieren vor allem aus unterschiedlichem Nutzerverhalten und Lagen der Wohneinheiten im Gebäude.

Abbildung 2: Mittlere Raum- über Außentemperaturen als Komfortparameter für das Raumklima

Abbildung 2 zeigt einen Vergleich der mittleren Stundenwerte der Raumtemperaturen in den Wohnanlagen Rochegasse, Utendorfgasse und Mühlweg mit den entsprechenden Außentemperaturen, wobei der Komfortbereich orange unterlegt ist.
Die Raumfeuchten in den Messwohnungen zeigen im Jahresverlauf in den Wintermonaten ein Minimum, sind aber mit 30 bis 40 % noch im komfortablen Bereich.

Abbildung 3: Raumtemperaturen während einer Hitzeperiode im Sommer 2007

Abbildung 3 zeigt den Schwankungsbereich der Raumtemperaturen in den unterschiedlichen Wohnungen der einzelnen Anlagen während der wärmsten Periode im Sommer 2007 (17. Juli bis 23. Juli). Auffallend ist vor allem, dass die Schwankungsbreite innerhalb des gleichen Wohnkomplexes sehr unterschiedlich ist. Die Gründe dafür liegen einerseits an gebäudespezifischen Faktoren wie Ausrichtung, wirksame Speichermassen in den Räumen, interne Lasten usw., andererseits wird fallweise gerade in solchen Extremsituationen, wie es in dieser Hitzeperiode auch der Fall war, auch tagsüber über das Fenster oder die Balkontüren quergelüftet. Dies führt durch den Luftzug zwar zu einem subjektiv angenehmeren Temperaturempfinden, heizt aber objektiv gesehen die Wohnungen sehr stark auf.

Endenergieverbrauch

Abbildung 4: Monatlicher Endenergieverbrauch und Globalstrahlung vom Mühlweg im ersten Messjahr

Abbildung 4 zeigt den Endenergieverbrauch pro Quadratmeter Wohnnutzfläche im Projekt Mühlweg für das erste Messjahr. Im Gegensatz zum Heizenergiewärmebedarf beinhaltet der Endenergieverbrauch auch sämtliche systembedingten Verluste wie Kesselwirkungsgrad, Speicherverluste, Verteilverluste usw. In der Heizperiode wurden in Summe 17,73 kWh/(m²a) Endenergie für die Raumheizung verbraucht. Der Endenergieverbrauch für die Warmwasserbereitung beträgt in Summe 22,4 kWh/(m²a) und wird je zur Hälfte aus der Solaranlage und dem Gaskessel gedeckt. An Haushaltstrom wurde in diesem Zeitraum 17,92 kWh/(m²a) verbraucht, was mehr als die Hälfte des Gesamtstromverbrauches darstellt. Die restlichen Stromflüsse teilen sich auf Lüftungsstrom, Technikstrom und Allgemeinstrom auf.
Abbildung 5: CO₂ Konzentration in einer Wohnung

Abbildung 5 zeigt den Verlauf der CO₂-Konzentrationen in einer Wohnung der Rochegasse mit Lüftungsanlage im Vergleich mit einem Einfamilienhaus ohne Lüftungsanlage. Der gemessene Zeitraum erstreckt sich von Juli 2007 bis Dezember 2007. Der Chemiker und Hygieniker Max Josef von Pettenkofer hat bereits im Jahr 1858 den Grenzwert von 1000 ppm CO₂-Konzentrationen festgelegt bei dem Beschwerden wie Müdigkeits- bzw. Konzentrationsschwächen auftreten können. Eine Übertretung der Pettenkoferzahl wurde in der Passivhauswohnung nur an 2 % des kompletten Messzeitraums registriert. Der Mittelwert lag bei 636 ppm. Nach heutigem Standard ist der Grenzwert nach DIN 1946-2 definiert und liegt bei einer CO₂-Konzentrationen von 1500 ppm.

Passivhaus- Wohnanlagen aus der Programmlinie „Haus der Zukunft“
Mühlweg	Utendorfgasse	Rochégasse

Passivhaus- Wohnanlagen aus der Programmlinie „Haus der Zukunft“
Mühlweg	Utendorfgasse	Roschégasse

*Heizwärmebedarf, ** (Mittelwert der gemessenen Wohneinheiten bei den gemessenen Raumtemperaturen), *** Klima- und Raumtemperatur-bereinigt

Fazit

Die Entwicklung der Passivhaustechnologie hat mittlerweile in Österreich einen sehr hohen Standard erreicht. Vor allem die baulichen Maßnahmen zur Erreichung der Passivhausqualität wie ausreichende Wärmedämmung der Umschließungsflächen sowie der Fenster und Türen, die Vermeidung von Wärmebrücken, Luftdichtheit und die Wärmerückgewinnung, aus der durch eine mechanische Lüftungsanlage ausgetauschten Luft, sind in einem sehr hohem Maß erfolgreich umgesetzt. Bestätigt werden diese Aussagen durch die Ergebnisse des gemessenen Nutzenergieverbrauchs. Rechnet man den gemessenen Heizwärmebedarf auf die projektierte Raumtemperatur von 20°C und den Standardklimasatz von Wien um, bleiben die gemessenen Werte deutlich unter der Passivhausgrenze von 15 kWh/(m²a). Das bedeutet für die Utendorfgasse bei einer an den Heizgradtagen mittleren gemessenen Raumtemperatur von 22,97°C, dass sich statt dem gemessenen Heizenergiebedarf von 15,48 kWh/(m²a) ein bereinigter Heizenergiebedarf von 11,37 kWh/(m²a) ergibt. Umsetzungsdefizite gibt es teilweise noch bei der Erzeugung bzw. der Verteilung der benötigten Heizenergie bzw. bei der Energie zur Bereitstellung des Warmwassers. Verbesserungspotenzial gibt es auch in der Wahl der im Haushalt eingesetzten elektrischen Geräte. Eine gewaltige Steigerung der Wohnqualität gegenüber Niedrigenergiehäusern wird durch die verbesserte Luftqualität erreicht, was sich vor allem in der Nutzerzufriedenheit widerspiegelt.

*)Ing. Waldemar Wagner ist Leiter der Abteilung für Messtechnik der AEE INTEC in Gleisdorf, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! [^]