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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! [^]