Zeitschrift EE

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2002-02: Solare Kühlung

Solare Kühlung

Der Bedarf an Kühlung von Medikamenten und Impfstoffen in sogenannten Entwicklungsländern ist sehr hoch. Doch wer einen Kühlschrank betreiben möchte, muss dafür sehr viel Geld ausgeben. Diesel für Stromaggregate ist teuer und Strom aus der Steckdose gibt es nur in den Ballungszentren.

Vergleich solarbetriebener Kühlsysteme

Von Stephan Zech*

Die Entwicklungshilfegruppe EG Solar e.V. entwickelte in Zusammenarbeit mit der Firma Zeo-Tech ein solar betriebenes Kühlsystem zur Marktreife. Dieses Kühlsystem wurde vor kurzem im Rahmen einer Studie von der Forschungsstelle für Energiewirtschaft in München mit einem herkömmlichen photovoltaisch betriebenen Kühlsystem verglichen.
Das Solarkühlsystem der EG Solar arbeitet auf Basis der Adsorption von Wasserdampf durch das sandähnliche Mineral Zeolith (siehe erneuerbare energie 3-1998) und verzichtet auf einen elektrischen Antrieb. Statt dessen nutzt es die Verdunstungskälte zur Kühlung. Zur Kälteerzeugung verbindet man einen Zeolithbehälter mit dem in der Kühlbox eingebauten Verdampfer. Dem System wird durch die Vakuumpumpe Luft entzogen. Durch den erzeugten Unterdruck sinkt der Siedepunkt des Wassers so stark, dass es bei Umgebungstemperatur siedet. Die hierzu nötige Energie wird dem Wasser entzogen, es kühlt sich ab und gefriert schließlich. Mit einer 4 kg Zeolith-Patrone bleibt bei einer durchschnittlicher Umgebungstemperatur von 22 °C die Kühlbox für etwa 72 Stunden 0 bis 6 °C kalt.
Wenn der Zeolith mit Wasser gesättigt ist, wird der Behälter vom Verdampfer getrennt und durch einen frischen ersetzt. Dann muss der Zeolith regeneriert werden. Dazu wird er mithilfe eines Parabolspiegels, der die Wärmestrahlen der Sonne bündelt, auf 300 Grad aufgeheizt, sodass das Wasser aus den Poren weicht.
Bei dem photovoltaisch betriebenen Kompressorkühlschrank handelt es sich um ein Kühlsystem, das von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfohlen wird. Es besteht aus der gleichen Kühlbox wie beim Zeolith-System und einer PV-Anlage mit Solarbatterie. Die Ergebnisse des durchgeführten Vergleichs sind nachfolgend untergliedert in energetische Bewertung, Kostenvergleich, technische Bewertung, Reparatur und Wartung, Handhabung, sowie Verfügbarkeit und Umweltaspekte (siehe Tabelle 1). Die beiden Kühlsysteme wurden mit leerer Kühlbox im Labor der Forschungsstelle gleichzeitig bei verschiedenen Umgebungstemperaturen getestet.
Bei beiden Kühlsystemen wurde die Zeit gemessen, die zur Abkühlung des leeren Kühlraums von Umgebungstemperatur auf eine Temperatur von 8 °C benötigt wird. Bei dem Zeolith-Kühlsystem wurden bei einer Umgebungstemperatur von 21 °C 1,5 h benötigt, dagegen benötigte der Kompressorkühlschrank 2,2 h. Bei der Umgebungstemperatur von 28 °C benötigte das Zeolith-Kühlsystem 2,3 h, der Kompressorkühlschrank 2,7 h. Die Anfangsleistung des Zeolith-Kühlsystems ist damit größer als beim Kompressor-Kühlsystem.

Energetische Bewertung

Als Kenngröße für den Energieverbrauch beim Zeolith-Kühlsystem wurde die dem System entzogene Wärme angesetzt, die aus der verdampften Wassermenge berechnet wird. Zu Ermittlung des Energieverbrauchs des Kompressor-Kühlsystems wurde die Spannung und die Stromstärke an der Solarbatterie gemessen. Bei einer durchschnittlichen Umgebungstemperatur von 21 °C betrug der Energieverbrauch beim Zeolith-Kühlsystem 154 Wh/d und beim Kompressor-Kühlsystem 279 Wh/d (bei einer Umgebungstemperatur von 28 °C 234 Wh/d bzw. 491 Wh/d). Für die Energiebereitstellung wurde beim Zeolith-Kühlsystem die für das Austreiben des Wassers im Parabolspiegel benötigte Energie gemessen. Bei der PV-Anlage ergibt sich die benötigte Energie aus dem Nutzungsgrad der PV-Anlage inklusive Zubehör und dem Nutzungsgrad der Solarbatterie. Die benötigte Solarenergie zur Kühlung mit dem Zeolith-Kühlsystem liegt ca. 45% unter dem Wert für das Kompressor-Kühlsystem (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Benötigte Solarenergie zur Kühlung für einen 24-stündigen Kühlbetrieb bei 21 °C und 28 °C Umgebungstemperatur mit dem Zeolith-Kühlsystem und dem PV-Kompressor-Kühlsystem

Die Installationskosten für das Zeolithsystem betragen bei einer Serienfertigung ab 5.000 Stück einschließlich eines Parabolspiegels mit automatischer Nachführung 920,3 €, für das PV-betriebene System 2.914,4 € (siehe Tabelle 1). Wartungs- und Instandhaltungskosten beim EG-Solar-Kühlsystem werden als gering eingeschätzt, können jedoch auf Basis des kurzen Testzeitraums nur bedingt beurteilt werden. Beim PV-betriebenen Kühlsystem liegt die Lebensdauer der Solarbatterien bei fünf bis sechs Jahren. Dadurch entstehen Kosten von umgerechnet rund 61,4 € jährlich. Falls Reparaturen am Kühlsystem nötig werden, sind diese in der Regel beim Kompressorkühlschrank kostenintensiver, da Fachwerkstätten bzw. Kundendienst eingeschaltet werden müssen und als Ersatz meist nur Gesamtkomponenten und keine Einzelteile zur Auswahl stehen.
Die Handhabung des Zeolith-Kühlsystems ist einfach durchzuführen. Die Bedienung ist für eingewiesene Laien möglich. Dasselbe gilt für das PV-betriebene System, wobei hier ein größeres Gefahrenpotential bei unsachgemäßer Bedienung besteht. Die Bedienung des Kühlsystems der EG Solar ist vermutlich etwas zeitintensiver.

Verfügbarkeit und Umweltaspekte

Die Verfügbarkeit der Kühlsysteme ist nach der kurzen Testdauer schwer zu beurteilen. Als entscheidend dürften nicht zuletzt großzügig ausgelegte Speicherkapazitäten und vorrätige Ersatzteile vor Ort gelten. Es kann davon ausgegangen werden, dass kleinere Schwierigkeiten beim Zeolith-Kühlsystem aufgrund des einfachen Aufbaus auch vom Kühlschranknutzer selbst behoben werden können. Die langfristige Aufrechterhaltung des Kompressorkühlschrank-Systems hängt nach Erfahrungen der WHO von der Präsenz des Herstellers bzw. eingewiesenen, fähigen Technikern in dem jeweiligen Land ab. Die Beschaffung der Solarbatterie und des Ladereglers hat sich aufgrund der oft sehr abgelegenen Gebiete und der hohen Kosten als eines der größten Probleme herausgestellt.

Bewertungskriterien Zeolith-Kühlsystem PV-Kompressor-Kühlsystem
Energietische Bewertung Solarenergiebedarf:
3042 Wh/d (28°)

Solarebergiebedarf
5447 Wh/d (28°C)

Installationskosten 920,3€ 2.914,4€
Handhabung einfach zu bedienen,
zeitintensiver
nach intesiver Einweisung
bedienerfreundlich
Wartung einfach, wartungsarm wartungsarm
Reperaturen z. T. auch von eingewiesenen Personen durchführbar u. U. Kundendienst erforderlich
Umwelt sehr gut gut

Tabelle 1: Zusammenfassung der Ergebnisse des Vergleichs des Zeolith-Kühlsystems und des PV-Kompressor-Kühlsystems

Die beiden Systeme sind während der Betriebsphase sehr umweltfreundlich, da als Energieträger die Sonne genutzt wird. Unterschiede bestehen für das Entsorgen der Komponenten. Das Zeolith-Kühlsystem besteht aus Metallen, Kunststoff und Zeolith. Bei einer Freisetzung des Feststoffs Zeolith sind für die zu betrachtenden Größenordnung keinerlei negative Auswirkungen auf Boden und Gewässer zu befürchten. Beim Kompressor-Kühlsystem hingegen wird die Entsorgung der Batterien in Entwicklungsländern als problematisch angesehen. Auch bei Freiwerden des bei Umgebungstemperatur in der Regel gasförmigen Kältemittels sind Auswirkungen auf die Umwelt die Folge. Beispielsweise hat das als FCKW-Ersatz heute häufig eingesetzte Kältemittel Tetrafluorethan ein hohes Treibhauspotenzial.

Literatur
Vergleich des solarbetriebenen Adsorptionskühlsystems der EG Solar e.V. mit einem photovoltaisch betriebenen Kompressorkühlschrank, Dipl.-Ing. Christina Hutter, Forschungsstelle für Energiewirtschaft, München, www.ffe.de

*) Dipl.-Ing. Stephan Zech ist Entwicklungsingeneur der EG Solar e.V., Entwicklungshilfegruppe der staatlichen Berufsschule Altötting in Kirchenweidach, Deutschland, www.eg-solar.de [^]

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2002-02: Solare Kühlung

Solare Kühlung

Ein komfortables Raumklima ist wichtig für das Wohlbefinden der Menschen und stellt in der Regel die Hauptfunktion unserer Gebäude dar. Dabei kann Kühlen genauso wichtig sein wie Heizen.

Heizen und Kühlen mit luftdurchströmten Erdreichwärmetauschern

Von Christian Fink und Ernst Blümel*

Im Schatten von zahlreichen konventionellen Technologien zur Wärme- bzw. Kälteversorgung von Gebäuden stehen hier zweifelsohne luftdurchströmte Erdreichwärmetauscher (L-EWT). Dabei bieten L-EWT bei entsprechenden Rahmen-bedingungen für die Außenluftkonditionierung (sowohl für den Heiz- als auch für den Kühlfall) in Gebäuden eine gute, energiesparende Alternative.
L-EWT nutzen die saisonale thermische Speicherfähigkeit des Erdreiches zur Konditionierung der Zuluft von Gebäuden. Dabei wird die Luft über im Erdreich verlegte Rohre angesaugt und entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungsluft und dem Erdreich im Winterbetrieb erwärmt und im Sommerbetrieb abgekühlt. Abbildung 1 zeigt die sich durch die Speicherfähigkeit des Erdreichs einstellende Dämpfung sowie die Phasenverschiebung im Jahresverlauf von Erdtemperaturen in unterschiedlicher Tiefe. Deutlich wird, dass mit zunehmender Tiefe eine größere, nutzbare Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Erdreichtemperatur erreicht werden kann.

Einsatzmöglichkeiten

Einerseits können L-EWT als alleinige Komponente zur Konditionierung der Zuluft sowie andererseits als Vorstufe eines Wärme- bzw. Kälteversorgungssystems Verwendung finden. Grundsätzlich sehr gut eignet sich der Einsatz von L-EWT in Systemen, in denen generell Luft als Wärmeträger verwendet wird (Lüftungsanlagen, Luft-Luft, bzw. Luft-Wasser Wärmepumpen, Luftheizungen, etc.).
In der Praxis finden L-EWT häufig zur Vereisungsvermeidung auf der Fortluftseite von Wärmerückgewinnungsaggregaten Verwendung. Dieser Anwendungsfall reicht von Anlagen im Einfamilienhaus (Niedrigenergie- und Passivhäuser) bis hin zu Geschosswohnbauten.
Der zweite große Anwendungsbereich für L-EWT liegt in der Kühlung (monovalent oder bivalent) von Gebäuden. Vor allem im Büro- und Verwaltungsbau ist in den letzten Jahren ein deutlicher Anstieg der auftretenden Kühllasten zu erkennen. In diesem Bereich haben im wesentlichen die internen Lasten - bedingt durch den verstärkten Einsatz von EDV und Bürogeräten - stark zugenommen. Dies kann sogar soweit führen, dass die Betriebskosten für die Kühlung im Sommer (mit konventionellen Kältemaschinen) höher sind als für die Heizung im Winter. Eine alternative Kühlungsmöglichkeit mit wesentlich geringerem Einsatz an Primärenergie stellen L-EWT dar.

Abbildung 1: Mittlerer Jahrestemperaturverlauf der Außenluft, Erdoberfläche und dem Erdreich in verschiedenen Tiefen für den Bodentypen "Kies - trocken", Standort Graz

Planungshilfsmittel

Ein sinnvoller Betrieb eines L-EWT hängt von vielen unterschiedlichen Faktoren ab, die in der Planung und Ausführung berücksichtigt werden müssen. Neben energetischen Aspekten (Einsatzbereich, Volumenstrom, Geometrie bzw. Material des L-EWT, Zusammensetzung des Erdreiches, etc.) sind dies auch Aspekte zur Lufthygiene sowie erzielbare Wärme- und Kältepreise. Da diese Zusammenhänge äußerst komplex sind, erfordert dies für die Planung von L-EWT fundierte Auslegungswerkzeuge.
Da kaum fundierte Auslegungswerkzeuge für L-EWT existieren, wurde 1999 das EU-Projekt "Planning Tool for Earth-to-Air Heat Exchangers" (im CRAFT-JOULE Programm) von der AEE INTEC in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Freiburg, Deutschland) initiiert. Als Projektergebnis stehen für die 13 am Projekt beteiligten Unternehmen (Architekten und technische Büros aus Österreich und Deutschland) Plannungstools in Form eines umfassenden Handbuches und eines validierten Simulationsprogrammes zur Verfügung.
Die Anwendung dieser Planungstools erfolgt typischerweise in zwei Stufen. Zunächst wird eine Vorauslegung nach den Tabellen und Nomogrammen aus dem Planungshandbuch durchgeführt. Dies führt zu (qualitativen) Aussagen über den Einfluss von Volumenstrom, Verlegetiefe, Temperaturleitfähigkeit des Erdreichs, Rohrdurchmesser, Rohrlänge, Rohranzahl und Achsabstand auf die Jahresarbeitszahl oder den Jahresertrag.
In weiterer Folge wird eine Simulation von unterschiedlicher Varianten mit dem Simulationsprogramm auf der Basis eines Kapazitätenmodells durchgeführt. Jahresgänge der Außentemperaturen sowie der Temperaturen an der Erdoberfläche verschiedener Regionen Österreichs sind Bestandteil des Programms. Nach Definition von weiteren Basisdaten (Verlegegeometrie, Grundwassertiefe, Abstand zum Gebäude, etc.) können jährliche Verläufe der Luftaustrittstemperatur, der Leistung sowie Energiebilanzen bei kontinuierlichem oder intermittierendem Betrieb ermittelt werden. Über eine Parametervariation für unterschiedliche Anlagenkonfigurationen kann die Sensitivität einzelner Parameter auf die Wärmeübertragung bestimmt werden, was gerade im Hinblick auf unsichere Parameter (z.B. die Stoffwerte oder Ermüdungserscheinungen des Erdreichs) wichtig ist.

Energetische Einflussgrößen

Das Funktionsprinzip von L-EWT ist grundsätzlich einfach. Trotzdem existieren zahlreiche Parameter, die einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von L-EWT besitzen. Neben Größen, die unmittelbar den Energieertrag des L-EWT beeinflussen (Volumenstrom, Rohrlänge, Rohrdurchmesser, Rohrmaterial, Erdreichzusammensetzung, Verlegetiefe, etc.), sind das noch zahlreiche indirekte Einflussgrößen (Druckverluste verursacht durch den L-EWT, Auswirkungen des L-EWT auf die Lufthygiene, Investitionskosten des L-EWT, etc.), die auch in der Planung bzw. Ausführung berücksichtigt werden müssen.
Um den Einfluss der wesentlichen energetischen Größen zu verdeutlichen, wurde anhand eines definierten L-EWT eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt.
Jede der betrachteten Einflussgrößen wurde einzeln verändert und die Auswirkungen auf die Energieerträge untersucht. Die hierzu erforderlichen Berechnungen wurden mit dem im CRAFT-JOULE Projekt erstellten dynamischen Simulationsprogramm durchgeführt. Aus Abbildung 2 kann gelesen werden, in welchem Ausmaß sich die Veränderung einer Einflussgröße (in Prozent) auf den Energieertrag (ebenfalls in Prozent) auswirkt. Dabei wurde der Energieertrag als Summe aus Heizenergie- und Kühlenergie definiert und die Ergebnisse des Referenzsystems mit 100% definiert.

Abbildung 2: Prozentuelle Änderung des Gesamtenergieertrages für Heiz- und Kühlbetrieb des definierten Referenz-L-EWT in Abhängigkeit einzelner Einflussgrößen. Referenzsystem: frei verlegtes Einzelrohr, 500 m³/h Dauerbetrieb, PVC, DN 200, Länge=50 m, Tiefe=2 m, feuchte Erde, Graz

Die größte Sensitivität zeigt der Parameter Volumenstrom. Dabei muss aber berücksichtigt werden, dass für einen sinnvollen Betrieb des L-EWT auch der entstehende Druckverlust von entscheidender Bedeutung ist. Weitere Größen mit entscheidender Sensitivität sind die EWT-Länge, die Verlegetiefe sowie die Zusammensetzung des Erdreichs. Als Parameter mit eher geringem Einfluss auf die Energieerträge des definierten L-EWT zeigen sich der Querschnitt sowie das Rohrmaterial.

Realisierte Projekte und Messergebnisse

Vom Konsortium des CRAFT-JOULE Projektes (15 Projektpartner in Österreich und Deutschland) wurden 25 L-EWT in verschiedenen Anwendungsfällen umgesetzt und zum Teil messtechnisch untersucht. Zwei der in Österreich umgesetzten Projekte werden von der AEE INTEC messtechnisch sehr detailliert überwacht und der Betrieb begleitet.

Stadtsaal Gleisdorf

Aufgrund der im Objekt benötigten Kühlleistungen, verursacht durch interne Gewinne (Personenbelegung, Beleuchtung, etc.) und passiver Gewinne über die Süd-Westfassade, wurde für den Stadtsaal Gleisdorf ein L-EWT als passives Kühlungselement eingeplant. Im vorliegenden Projekt wird der L-EWT als Vorstufe (Spitzenkühlleistungen von 57 kW sind möglich) für eine Klimaanlage genutzt. Durch den L-EWT kann die Kühlgrundlast gedeckt und somit das Klimatisierungsgerät entsprechend kleiner dimensioniert werden. Beheizung als auch Kühlung erfolgt über die zentrale Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung, wobei der maximale Gesamtmassenstrom rund 20.000 m³/h beträgt. Der L-EWT erfüllt bei diesem Objekt im wesentlichen zwei Aufgaben: Vereisungsvermeidung auf der Fortluftseite der Wärmerückgewinnung im Winterbetrieb und Kühlung der Zuluft im Sommer zur Unterstützung des Klimatisierungsgerätes.
Durch den Einsatz des L-EWT zur Kühlung des Stadtsaales, konnte bei diesem Projekt neben enormen Einsparungen an Betriebskosten auch eine Reduktion der Investitionskosten für die Kältemaschine erzielt werden. Das Konzept zur Be- und Entlüftung bzw. zur Kühlung ist neben den Systemmesspunkten in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Schnittdarstellung des Gleisdorfer Stadtsaales inkl. Be- und Entlüftungskonzept, Kühlkonzept sowie sämtlichen Systemmesspunkten (Bildquelle: TB Herbst, Gleisdorf)

Die Dimensionen des L-EWT wurden im Hinblick auf die Abdeckung der Kühlgrundlast festgelegt. Der Erdreichwärmetauscher besteht aus acht parallelen und jeweils 80 m langen PVC-Rohren. Die Rohre mit einer Nennweite von 400 mm sind im Mittel in einer Erdreichtiefe von 2 m verlegt. Die Luftzuführung zu den Rohren erfolgt über vier Ansaugtürme, d.h. für je zwei Rohre ein Ansaugturm. Zusätzlich sind noch zwei Ansaugtürme direkt am Gebäude errichtet (siehe Titelbild dieses Artikels), sodass der L-EWT über einen Bypass umgangen werden kann, wenn dies die Witterungsbedingungen verlangen (vor allem in der Übergangszeit).
Die messtechnische Untersuchung (beauftragt von der Wissenschaftsabteilung des Landes Steiermark und unterstützt vom Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft) zum Betriebsverhalten ist derzeit noch im Gang und wird mit Ende des Sommers 2002 abgeschlossen. Die Arbeitsschwerpunkte liegen einerseits in der Analyse des Erdreichverhaltens bei Wärme- bzw. Kälteentzug sowie andererseits in der quantitativen Beurteilung von unterschiedlichen Regelstrategien auf das Betriebsverhalten. Erste Messergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Gemessene Ein- und Austrittstemperaturen und der Volumenstrom des L-EWT im Stadtsaal Gleisdorf von 14.08.2001 bis 20.08.2001

Deutlich ist zu erkennen, dass in der Woche vom 14. bis 20.August 2001, bei Außentemperaturen um die 30 °C die Austrittstemperaturen aus dem L-EWT bei ausgezeichneten 20-22 °C liegen. Um dem Erdreich Regenerationszeiten zu ermöglichen sowie Antriebsenergie für den Ventilator einzusparen, wird das Lüftungssystem alternierend betrieben.

Weizer Energie- und Innovationszentrum

Das 1999 errichtete Büro- und Verwaltungsgebäude "Weizer Energie- und Innovationszentrum" (W.E.I.Z.) mit 2.000 m² Nutzfläche erfüllt mit einem spezifischen Heizenergieverbrauch von 15 kWh/m² Nutzfläche und Jahr das Passivhauskriterium (siehe Abbildung 5). Dementsprechend wurde auch das Energiekonzept für Beheizung und Kühlung festgelegt. Sowohl Beheizung als auch Kühlung erfolgt über die zentrale Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung. Für den hygienischen Luftwechsel wurde ein Gesamtvolumenstrom von 3.200 m³/h ermittelt.

Abbildung 5: Süd-Ostansicht des Büro- und Verwaltungsgebäudes Weizer Energie- und Innovationszentrum W.E.I.Z.

Der zentralen Lüftungsanlage ist ein, unter dem Keller verlegter, L-EWT in Registerform vorgeschaltet. Die mittlere Verlegetiefe beträgt rund 3,5 m. Der L-EWT besteht aus 15 parallelen PVC-Rohren, DN 200 und einer Rohrlänge von jeweils 28 m (siehe Abbildung 6). Die zwei Sammelschächte aus Beton weisen eine Länge von 10 m auf und sind begehbar. Die eingesetzten Ventilatoren besitzen in bezug auf den Heizbetrieb eine entsprechende Leistungsreserve, sodass bei extremen Außentemperaturen im Sommer der Gesamtvolumenstrom auf etwa 5.000 m³/h erhöht werden kann. Der L-EWT stellt in diesem Projekt ein monovalentes Kühlsystem dar.
Zusätzlich zur Deckung der sommerlichen Kühllasten wird der L-EWT auch zur Vorwärmung der Zuluft in der Heizperiode, im speziellen zur Vereisungsvermeidung auf der Fortluftseite des Wärmerückgewinnungsaggregates, verwendet. Dabei bleibt aber zu berücksichtigen, dass der L-EWT in der Heizperiode nur zu den Bürozeiten beaufschlagt und außerhalb der Bürozeiten im Umluftbetrieb mit minimalem Frischluftanteil betrieben wird.

Abbildung 6: Verlegung der 15 parallelen PVC-Rohre unter der Fundamentplatte des Gebäudes
(Bildquelle: W.E.I.Z.)

Am L-EWT in Weiz durchgeführte Messungen (Messperiode Jänner 2000 bis Dezember 2000) zeigten Kühlleistungen bis zu 17 kW (siehe Abbildung 7). Beispielsweise konnten am 21.08.2000 parallel zu Außentemperaturen von über 30 °C über einen Zeitraum von mehr als fünf Stunden 15 kW Kühlleistung durch den L-EWT bereitgestellt werden. In Kombination mit der Nutzung der Nachtkälte (Massenspülung mit kühler Außenluft) übernimmt der L-EWT die Deckung der gesamten Kühllast im Sommer. Als besonders wichtig stellte sich für den Erdreichwärmetauscher in Weiz die nächtliche Regeneration des Erdreichs während der Nachtkühlung mit kalter Außenluft heraus.

Abbildung 7: Gemessener Temperatur- und Leistungsverlauf am 21.08.2000 (Volumenstrom: 4.500 m³/h). Die Austrittstemperatur aus dem Erdreichwärmetauscher steigt bei Umgebungstemperaturen von über 30 °C nicht über 22,5 °C

Zusammenfassung und Ausblick

Die Planungs- und Auslegungssicherheit von L-EWT konnte mit Hilfe des abgeschlossenen CRAFT-JOULE Projektes einerseits durch die Erstellung von Planungstools und andererseits durch fundierte Messergebnisse erheblich verbessert werden. Dieser Umstand ermöglicht eine breitere Umsetzung von effizienten L-EWT.
L-EWT bilden grundsätzlich eine sinnvolle energiesparende Ergänzung - oder auch alleinige Alternative - zu konventionellen Heizungs- und Klimasystemen. Neben ökologischen Aspekten können bei frühzeitiger und integraler Planung aber auch ökonomisch konkurrenzfähige Systemlösungen umgesetzt werden. Als besonders sinnvoll stellte sich bei Kühlanwendungen die Kombination von L-EWT mit Nachtlüftungskonzepten heraus, welche die Nachtkälte zur Entladung von erwärmten Massen (thermische Bauteilaktivierung) nutzen. Die kombinierte Nutzung von Erd- und Nachtkälte lässt kleinere L-EWT zu, was die Investitionskosten reduziert und somit die Wirtschaftlichkeit erhöht.

*) Ing. Christian Fink und
Dipl.-Ing.
Ernst Blümel sind Mitarbeiter der AEE INTEC in Gleisdorf, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! [^]

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2002-02: Solare Kühlung

Solare Kühlung

Im Allgemeinen gilt die solarunterstützte Klimatisierung von Gebäuden aufgrund der scheinbaren Übereinstimmung von solarem Angebot und der daraus resultierenden Kühllast als ein besonders interessantes und wirtschaftliches Aufgabengebiet.

Simulation solarunterstützter Klimasysteme

Von Uwe Franzke und Christian Seifert*

Anhand des Beispiels der Kühllastberechnung eines Hotels wird jedoch sichtbar, dass sich zumindest keine völlige Übereinstimmung ergibt, da sowohl die inneren Lasten als auch die gespeicherte Energie zu einem späteren Zeitpunkt in den Nutzungsbereich einfließt, als Gesamtstrahlung zur Verfügung steht. Eine Jahresbetrachtung des Heiz- und Kühlenergiebedarfes des Hotels zeigt aufgrund der inneren Lasten einen relativ langen Zeitraum, in dem ein Kühlenergiebedarf besteht (siehe Abbildung 1).
Zur Klärung der energetischen, aber vor allem auch der wirtschaftlichen Effizienz der solarunterstützten Klimatisierung ist daher eine detailliertere Betrachtung notwendig. Für wissenschaftliche Untersuchungen stehen dafür ausgezeichnete Softwaresysteme (z.B. TRNSYS) zur Verfügung. Für die "schnelle" Entscheidung im Planungsprozess war bisher keine geeignete Plattform gegeben. Im Rahmen der Internationalen Energieagentur (IEA) wurde daher im TASK 25 (Solar Assisted Air Conditioning of Buildings) die Erarbeitung eines Simulationswerkzeuges genau für diesen Anwenderkreis begonnen.

Abbildung 1: Verlauf des Heiz- und Kühlenergiebedarfs eines Hotelgebäudes über ein Jahr

Die Anforderungen an das Simulationssystem ergeben sich aus dem Zeitpunkt der geplanten Nutzung. Die Entscheidung über den möglichen Einsatz der solarunterstützten Klimatisierung fällt zu einem sehr frühen Zeitpunkt des Projektes. Dabei sind notwendige Informationen über die konkreten Lasten und Nutzungsbedingungen in der Regel ebenso wenig verfügbar, wie die endgültigen bauphysikalischen Randbedingungen des architektonischen Entwurfs. Erschwerend kommt hinzu, dass das regelungstechnische Konzept sowie die hydraulische Verschaltung der Einzelkomponenten in diesem Planungsstadium nicht verfügbar sind. Aus den genannten Gründen ist daher nur eine Relativbewertung verschiedener Lösungsansätze unter gleichen Randbedingungen sowie eine Sensitivitätsanalyse hinsichtlich des Einflusses bestimmter Einflussparameter möglich. Das Simulationsmodell sollte daher besonders fehlerresistent und bedienerfreundlich sein.
Es müssen eine Reihe von zulässigen Vereinfachungen und verallgemeinerungsfähigen Annahmen getroffen werden, die bei der softwareseitigen Umsetzung bereits einfließen müssen. Dies betrifft sowohl die "optimale" Auslegung des Systems der solaren Energieerzeugung als auch die Vorgabe der regelungstechnischen Grundfunktionen für die Kälte- und Klimaanlagen.

Das Klimasystem

Raumlufttechnische Anlagen mit vorgegebenen Raumlufttemperaturen und Raumluftfeuchten und zu erwartenden Kühllasten und/oder Feuchtelasten werden gemäß DIN 1946 Teil 1 als Luftkühlanlagen, Luftentfeuchtungsanlagen oder Klimaanlagen ausgelegt. Sie erfordern im allgemeinen Kälteanlagen. Zum Einsatz kommen Kompressions- oder Absorptionskälteanlagen zur direkten Kühlung mit luftbeaufschlagtem Verdampfer oder zur indirekten Kühlung als Kaltwassersätze bzw. Flüssigkeitskühler. Charakteristisch ist, dass diese Kälteanlagen in ihrer Ausführung auf die Bedingungen in raumlufttechnischen Anlagen zugeschnitten sind, so dass man von einer "Klimakältetechnik" sprechen könnte.
Klimatisierung bedeutet allgemein, dass die Funktionen Heizen, Kühlen, Befeuchten, und Entfeuchten einzeln oder gemeinsam erfüllt werden. Je mehr von diesen Funktionen realisiert werden, desto stärker wird die Umweltrelevanz der Klimaanlage. Eine Anlage nur mit Heizungsfunktion könnte im günstigsten Fall mit thermischen Solarkollektoren fast ohne Umweltbelastung arbeiten. Eine Klimaanlage stellt dagegen die maximale Anzahl von kritischen Punkten dar.

Das Modell

Das Berechnungsmodell ist so strukturiert, dass die vorhandenen Rückwirkungen zwischen der raumlufttechnischen Anlage und dem Gebäude nur in einer Richtung betrachtet werden. Die aus einer Minderleistung der Anlage resultierende Veränderung der Raumlufttemperatur und damit der Last wird nur in Form der Abweichung vom Sollwert erfasst. Für die Berechnungen wird einerseits eine Lastdatei in Analogie zu Abbildung 1 benötigt. Zum anderen werden die Wetterdaten (TRY, Meteonorm) in das Programm integriert.
Der besondere Anspruch des Simulationsprogramms liegt vor allem in einer effektiven Anleitung des Nutzers zum Erstellen sinnvoller Anlagenkonfigurationen. Dies betrifft einerseits das Predesign, d.h. die Verschaltung der unterschiedlichen Komponenten. Andererseits ist speziell im Design eine umfangreiche Unterstützung bei der Auslegung der für den Klimatechniker üblicherweise unbekannten thermischen Solartechnik gegeben.

  • Um das komplexe System erfassen zu können, ist die Berechnung in drei Abschnitte geteilt:
  • Berechnung des Heiz- und Kühlenergiebedarfes der Klimaanlage
  • Berechnung der verfügbaren Heiz- und Kühlenergie
  • Berechnung der Luftzustände in der Klimaanlage und des Zuluftzustandes mit verfügbarer Heiz- und Kühlenergie

Diese Struktur ist in der Lage, bewusste "Unterdimensionierungen" der Komponenten real zu simulieren. Es kann daher die Frage beantwortet werden, wie groß und wie häufig die Abweichung des Zuluftzustandes von dessen Sollwert im Falle einer Investitionskosteneinsparung (zum Beispiel durch eine Kälteanlage kleinerer Leistung) ist.

Softwaremäßige Umsetzung

Bei der softwaremäßigen Umsetzung wurde besonderer Wert auf die Nutzerfreundlichkeit gelegt. Bei der Auswahl der Komponenten kann der Nutzer auf zwei unterschiedliche Arten zur Systemgestaltung gelangen. Beide Varianten der Systemgestaltung sind jederzeit durch einfache Umschaltung nutzbar.
Einerseits ist die freie Zusammenstellung aus Einzelsystemen ("Special Selection") möglich. Dabei wird der Nutzer nach Abschluss seiner Auswahl darüber informiert, ob diese Verschaltung softwaremäßig umgesetzt ist. Bei der Erstellung dieser Auswahl wurden etwa 640 verschiedene Kombinationen untersucht. Da für jede der ausgewählten Anlagen eine regelungstechnische Funktion für jede Stunde eines Jahres hinterlegt sein muss, bedarf es dieser Begrenzung auf getestete Verschaltungen.
Die andere Art der Systemkonfiguration besteht in der Nutzung von Standardsystemen ("Standard Selection"). Dabei wird vom Raum ausgegangen. Durch die Wahl von Kühldecken, Fan coils oder Luftsystemen werden logische Entscheidungswege eingeschlagen, die im nächsten Schritt zu den passenden klima- und kältetechnischen Anlagen führen. Im Endergebnis der Entscheidung wird dann eine solarthermische Versorgung vorgegeben.
Wie bereits bei der Modellbeschreibung erwähnt, ist die Unterstützung des ungeübten Nutzers besonders bei der Auslegung des solaren Versorgungssystems notwendig. So wurde durch die TU Graz das System der solaren Versorgung bestehend aus Kollektor, Speicher und Backup-System vereinfacht. Für den Nutzer reduziert sich so die notwendige Eingabe auf die Art, Orientierung und Größe des Kollektorfeldes sowie auf das vorgesehene Speichervolumen.

Ergebnisse

Die Umsetzung des Simulationsprogramms ist mittlerweile soweit gediehen, dass erste Berechnungsergebnisse erzielt werden können. Abbildung 2 zeigt beispielhafte Ergebnisse für eine solare Versorgung bei einem 400 m² Kollektorfeld und bei einer Vorlauftemperatur von 60 °C. Es ist der Zeitraum vom 1.Mai bis 30.September dargestellt. Als Kälteanlage wurde eine Adsorptionsanlage verwendet. Die luftseitigen Komponenten waren ein Kühler und ein Erhitzer. Es zeigt sich ein großer, aus den Kollektoren realisierbarer Ertrag. Der als Backup-System verwendete Brenner kommt deutlich seltener zum Einsatz.

Abbildung 2: Berechnungsergebnis der solaren Versorgung mit einem 400 m² Kollektorfeld und bei 60 °C Vorlauftemperatur vom 1.Mai bis 30. September

Aufbauend auf den ersten Simulationsergebnissen wurden mit den Parametern Kollektorfläche und Vorlauftemperatur verschiedene Systemsimulationen durchgeführt. Die Ergebnisse zum solaren Deckungsanteil sind in Abbildung 3 dargestellt. Als Betrachtungszeitraum wurde ebenfalls der Sommer verwendet. Im günstigsten Fall beträgt der solare Deckungsanteil 74%. Dies setzt eine Kollektorfläche von 400 m² bei einer Vorlauftemperatur von 60 °C voraus. Mit geringeren Flächen und höheren Vorlauftemperaturen sinkt der solare Deckungsanteil erwartungsgemäß auf etwa 36%.

Abbildung 3: Errechneter solarer Deckungsanteil bei verschieden großen Kollektorfeldern und verschiedenen Vorlauftemperaturen

Zusammenfassung

Das Simulationssystem für solarunterstützte Klimasysteme ist ein Expertensystem für "Nichtexperten". Damit wurde eine Lücke der Softwarewerkzeuge für die solare Klimatisierung, speziell für den planenden Ingenieur, geschlossen.
Die am IEA SHC - TASK 25 teilnehmenden Institutionen haben große Anstrengungen unternommen, um das Expertenwissen in eine für den normalen Nutzer verständliche Form umzusetzen. Dabei wurden umfangreiche Hilfen implementiert. Dies sind unter anderem die Unterstützungen bei der Systemgestaltung und die Hilfe bei der Auslegung des solaren Versorgungssystems.
Die ersten beispielhaften Rechnungen haben ermutigende Ergebnisse erbracht. Im Rahmen der weiteren Erprobung werden sowohl vom Softwareentwickler als auch von potenziellen Anwendern diverse Tests durchgeführt, um eine möglichst große Sicherheit bei der späteren Nutzung der Simulationsplattform zu garantieren.
Es ist vorgesehen, das Simulationssystem einer möglichst breiten Nutzung auf europäischer Ebene zuzuführen.

*) Prof.-Dr.-Ing. Uwe Franzke ist Prokurist und Hauptbereichsleiter Klima- und Energietechnik und
Dipl.-Ing. Christian Seifert ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Institut für Luft- und Kältetechnik, Gemeinnützige Gesellschaft mbH, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! [^]

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2002-02: Solare Kühlung

Solare Kühlung

Solare Klimatisierung von Einfamilienhäusern

Von Michael Rinner*

Thermische Solaranlagen werden in Europa hauptsächlich zur Warmwasserbereitung und zur Heizungsunterstützung eingesetzt. Das Problem war bisher, dass die von Kombianlagen mit großen Kollektorflächen im Sommer bereitgestellte Energie nicht genutzt werden konnte.
Durch intensive Forschung und Entwicklung ist es gelungen, diese Energie zur Raumkühlung einzusetzen.
Da der sommerliche Kühlleistungsbedarf von Gebäuden stets zeitgleich mit hohen solarstrahlungsbedingten Außen- und Raumtemperaturen auftritt, bietet es sich an, Sonnenenergie für solare Kühlsysteme zu nutzen.
Wie in den anderen Beiträgen dieser Ausgabe der erneuerbare energie mehrfach dargestellt, wurden in den vergangenen Jahren auf wissenschaftlicher Ebene große Anstrengungen unternommen, sorptionsgestützte Kühlsysteme zu entwickeln.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen hat die Riposol Handels GmbH ein solares Kühlsystem zur Serienreife entwickelt. Erste Anlagen sind seit Mitte Mai 2001 in der Nähe von München in Betrieb.
Dabei handelt es sich um zwei Anlagen in einem Doppelreihenhaus der Firma Bögl. Die Wohnnutzfläche der Reihenhäuser beträgt je 155 m². Die installierte Kollektorfläche des Doppelreihenhauses, welche die Wohnungen und das solare Kühlsystem mit Wärme versorgt, beträgt 28 m². Die Kühlleistung der Sorptionskälteanlage beträgt 3,2 kW. Die elektrische Leistungsaufnahme für den Betrieb der Solaranlage und der Sorptionskälteanlage ist lediglich 360 W.
Damit bietet die Riposol Handels GmbH als eines der ersten Unternehmen eine kommerziell erhältliche solare Raumklimatisierungsanlage an.

 

*) Weitere Informationen: Riposol Handels GmbH, Industriepark 12, A-9330 Althofen, Tel.: 0 42 62 / 37 855, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! [^]

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2002-02: Solare Kühlung

Solare Kühlung

Die Firma Prochek Immobilien hat durch das Architekturbüro Harth und Flierl Amberg in Deutschland ein klimatisiertes Bürogebäude mit 5700 m² Bruttogeschossfläche errichten lassen. Mit dem Energiekonzept des Ingenieurbüros Gam-mel in Abensberg soll der Heizenergiebedarf bei 35 kWh/(m²a) und der Kühlbedarf bei 30 kWh/(m² a) liegen.

Regenerative Klimatisierung eines Bürogebäudes

Von Eberhard Lävemann*

Das Gebäude wird im Winter über so genannte thermisch aktivierte Decken (TAD) geheizt. Bedarfsabhängig wird die erforderliche Zusatzheizleistung über eine Lüftungsanlage zugeführt. Im Sommer wird das Gebäude über die TAD und die Lüftungsanlage mit Brunnenwasser von ca. 14 °C gekühlt. Die Luftfeuchtigkeit im Gebäude muss überwacht und begrenzt werden, um Kondensation an den gekühlten Bauteilen zu vermeiden. Dazu wird ein neu-artiges, am Bayerischen Zentrum für angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) entwickeltes Sorptionssystem eingesetzt, das solar betrieben wird. Die Bauteilkühlung und das Sorptionssystem benötigen nur wenig elektrische Energie für Pumpen und Steuerung.
Außenluft (30.000 m³/h) wird im Sommer in einem Entfeuchter mit konzentrierter LiCl-H2O-Lösung absorptiv entfeuchtet (70 kW) und gekühlt (80 kW) und über das Atrium dem Gebäude zugeführt (siehe im Titelbild dieses Artikels das Schema des Sorptionssystems zur Zuluftentfeuchtung und -kühlung). Die Gebäudeabluft wird an drei Stellen gesammelt. Sie kühlt über indirekte Verdunstungskühler und ein Kreislaufverbundsystem den Ent-feuchter. Durch diese "Kälterückgewinnung" werden thermische Leistungszahlen von 1,2 bis 2,0 erreicht. Die Konzentration der Salzlösung wird im Entfeuchter von 40% auf ca. 28% herabgesetzt. Verdünnte und konzentrierte Lösung werden separat gelagert und speichern Energie verlustfrei mit sehr hoher Dichte, ca. 270 kWh/m³. Die Speicherdauer beträgt wenige Tage bis mehrere Monate.
Wenn Sonnenenergie verfügbar ist, wird die verdünnte LiCl-H2O-Lösung im Regenerator auf 60 bis 80 °C erwärmt und damit regeneriert. Wasser verdunstet und wird mit einem Luftstrom an die Umgebung abgeführt. Das gelöste LiCl-Salz bleibt im Kreislauf.
Ein Feld von 70 m² Flachkollektoren mit einer solarthermischen Leistung von 30 - 40 kW, und ein Speichervolumen von ca. 8,4 m³ verdünnter Lösung sind vorgesehen, um etwa 80% solare Deckung zu erreichen. Die Anlage soll im Sommer 2002 in Betrieb gehen.

 

*) Dipl.-Ing. Eberhard Lävemann leitet die Gruppe "Sorptionstechnik" der Abteilung "Solarthermie und Biomasse" des Bayrischen Zentrums für angewandte Energieforschung, ZAE Bayern, in Garching bei München, www.zae.bayern.de, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! [^]

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