0325966ABC EVASOLK-Schlussbericht Oeffentlich 13August2013
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Evaluierung der Chancen und Grenzen von solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
Schlussbericht – öffentlicher Teil
Zuwendungsempfänger: Förderkennzeichen:
Fraunhofer ISE (Koordination) Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme Heidenhofstraße 2
79110 Freiburg
ILK Dresden Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH Bertolt-Brecht-Allee 20
01309 Dresden
ZAE Bayern Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Walther-Meissner-Straße 6 85748 Garching
0325966A
0325966B
0325966C
Vorhabenbezeichnung:
EvaSolK: Evaluierung der Chancen und Grenzen von solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
Laufzeit des Vorhabens:
01.06.2010 bis 31.12.2012
Autoren:
Edo Wiemken, Dipl.-Phys.
Dr. Mathias Safarik, Dipl.-Ing. (FH)
Peter Zachmeier, Dipl.-Ing. (FH)
Kilian Hagel, Dipl.-Ing. (FH)
Sebastian Wittig, Dipl.-Ing.
Prof. Dr. Christian Schweigler, Dipl.-Phys.
Björn Nienborg, Dipl.-Ing. (FH), M.Sc.
Anna R. Petry Elias, Dipl.-Wirt.-Ing (FH)
Gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.
Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
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13. August 2013
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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Inhaltsverzeichnis
1 Aufgabenstellung ............................................................................................................................................................. 5
2 Zusammenfassung ........................................................................................................................................................... 7
3 Referenztechnologie .................................................................................................................................................... 10
3.1 Vermessung bestehender Anlagen 10
3.2 Vermessungen ILK Dresden 11 3.2.1 Beschreibung der Kältesysteme ................................................................................................................................... 11 3.2.2 Messmethode ........................................................................................................................................................................ 13 3.2.3 Ergebnisse .............................................................................................................................................................................. 16 3.2.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerung ................................................................................................................ 23
3.3 Vermessungen ZAE Bayern 24 3.3.1 Kaltwassersatz zur Versorgung einer Flächenkühlung ..................................................................................... 24 3.3.2 Kaltwassersatz zur Versorgung einer Umluftkühlung ....................................................................................... 30 3.3.3 Mono-Split-Gerät „Markenanbieter“ .......................................................................................................................... 37 3.3.4 Kühlzelle zur Lebensmittelkühlung ............................................................................................................................ 43 3.3.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung ................................................................................................................ 49
3.4 Prognose Kältetechnik – Expertenumfrage 50
4 Analyse solarthermische Kühlung .......................................................................................................................... 55
4.1 Marktübersicht und technische Analyse von Absorptions- und Adsorptionskälteanlagen kleiner Leistung 55
4.2 Praxisdaten Absorption / Adsorption 55
4.3 Entwicklungspotenzial Apparatetechnik 56
4.4 Entwicklungspotenzial Systemtechnik 56
5 Vergleichsstudie Solare Kühlung in Gebäuden .................................................................................................. 57
5.1 Vorbemerkungen 57
5.2 Methodischer Ansatz 59 5.2.1 Standorte ................................................................................................................................................................................ 59 5.2.2 Anwendungen ....................................................................................................................................................................... 61 5.2.3 Systemkonfigurationen .................................................................................................................................................... 64 5.2.4 Modellierung und Simulation ........................................................................................................................................ 66 5.2.5 Referenz + PV ........................................................................................................................................................................ 67 5.2.6 Bewertungsgrößen ............................................................................................................................................................. 68 5.2.7 Kosten und Preise ............................................................................................................................................................... 76
5.3 Ergebnisse 78 5.3.1 Standardkonfigurationen ................................................................................................................................................ 78 5.3.2 Andere Konfigurationen .................................................................................................................................................. 89 5.3.3 Abschätzungen zu optimierter TKM-Technik ........................................................................................................ 93 5.3.4 Alternative Kostenbeurteilung ..................................................................................................................................... 95 5.3.5 Veränderungen im Netzaustausch .............................................................................................................................. 97 5.3.6 Sensitivität .......................................................................................................................................................................... 100
5.4 Zusammenfassung Vergleichsstudie Solare Kühlung in Gebäuden 104
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6 Solare Prozesskühlung .............................................................................................................................................. 108
6.1 Technische Analyse und Anwendungsbeispiele 108
6.2 Anlagenverfügbarkeit 113
6.3 Erarbeitung und Vergleich beispielhafter Systemkonfigurationen 115 6.3.1 Anforderungen .................................................................................................................................................................. 115 6.3.2 Solarthermische Kälteerzeugung .............................................................................................................................. 115 6.3.3 Kompressions-Absorptions-Kaskade...................................................................................................................... 116 6.3.4 Absorptionskälteanlage mit Kompressionskälte-Backup .............................................................................. 117 6.3.5 Solarelektrische Kälteerzeugung .............................................................................................................................. 118
6.4 Simulationsrechnungen und -modelle 118 6.4.1 Randbedingungen und Systemauswahl ................................................................................................................. 118 6.4.2 Netzgekoppeltes Kompressionskältesystem (Referenz) ............................................................................... 119 6.4.3 PV-unterstütztes Kompressionskältesystem ...................................................................................................... 120 6.4.4 Solarthermische Kühlung ............................................................................................................................................. 121
6.5 Ergebnisse 123 6.5.1 Netzgekoppeltes Kompressionskältesystem (Referenz) ............................................................................... 123 6.5.2 PV-unterstütztes Kompressionskältesystem ...................................................................................................... 123 6.5.3 Solarthermische Kühlung mit netzelektrischem Kompressions-Backup ............................................... 125
7 Veröffentlichungen ..................................................................................................................................................... 128
8 Literatur ......................................................................................................................................................................... 129
Anhänge ................................................................................................................................................................................... 132
Anhang A5.1 – Nomenklatur 133
Anhang A5.2 – Standorte (solare Kühlung in Gebäuden) 134
Anhang A5.3 – Anwendungen (solare Kühlung in Gebäuden) 136
Anhang A5.4 – Konfigurationen (solare Kühlung in Gebäuden) 141
Anhang A5.5 – Virtuelle Messstellen (solare Kühlung in Gebäuden) 143
Anhang A5.6 – Komponentenbeschreibung 144
Anhang A5.7 – Energiepreise, Wandlungsfaktoren 153
Anhang A5.8 – Solarthermische Kühlung in Kältenetzen 154
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1 Aufgabenstellung
Aufgrund einer hohen zeitlichen Korrelation von Solarstrahlung und Kühlbedarf scheint solare
betriebene Kühlung ein interessanter Weg zu sein, um Kälte aus erneuerbaren Energien zu erzeu-
gen. Entwicklungen und Forschungen zu diesem Thema werden im Allgemeinen unter dem Begriff
„Solare Kühlung“ geführt. Obwohl der Begriff lediglich Kühlung und Solarenergie miteinander ver-
knüpft, impliziert der Begriff bis dato im Allgemeinen solarthermische Kühlung. Dabei wird Solar-
energie als Wärme genutzt und dient als Antrieb für eine thermisch betriebene Kältemaschine. Wird
Solarenergie mittels Photovoltaikmodulen in elektrische Energie umgewandelt die ihrerseits eine
Kompressionskältemaschine antreibt, so liegt auch eine solare Kühlung vor. Der Konversionspfad
über elektrische Energie wurde bislang aber kaum beschritten oder beforscht, da Kosten für PV-
Strom noch vor 10 Jahren über dem 2 - 3fachen der privaten Endkundenpreise lagen. Somit er-
schien der Weg, Solarenergie in Strom und anschließend Kälte umzuwandeln, zu kostenintensiv und
somit zu wenig Erfolg versprechend.
Seit einigen Jahren, insbesondere seit Einführung des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes in Deutsch-
land im Jahr 2000, hat sich die Photovoltaik zum Massenmarkt entwickelt und die Kosten konnten
stark gesenkt werden. Inzwischen liegt der Preis für die Einspeisung von elektrischer Energie aus
Photovoltaik unter dem Bezugspreis für Haushaltskunden. Somit erscheint die Idee, Solarenergie
über den Konversionspfad der elektrischen Energie zur Kühlung zu nutzen, inzwischen als potenzi-
ell interessant.
Obwohl in der Vergangenheit bereits einige öffentlich geförderte Projekte zum Thema Solare Küh-
lung (thermisch) durchgeführt wurden, konnte sich diese Art der Kühlung noch nicht als relevante
Größe am Markt etablieren. Allerdings wurden im Rahmen dieser Projekte bereits Erfahrungen
gesammelt, wie solarthermische Kühlungen aufgebaut werden können, welche Besonderheiten zu
beachten sind und in welchen Punkten noch Optimierungsbedarf besteht.
Ziel des Projektes EvaSolK (Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Ver-
gleich zu Referenztechnologien) ist es, das Potenzial von solarer Kühlung bezüglich Primärenergie-
einsparungen und CO2-Emissionsvermeidungen im Vergleich zu Referenztechnologien zu ermitteln
und aussichtsreiche Anwendungen unter Einbeziehung von Kostenabschätzungen darzustellen.
Die inhaltliche Gliederung des Projektes ist in Abbildung 1.1 gezeigt. Arbeitsschwerpunkte bilden
dabei das Monitoring zu konventioneller Kältetechnik und die Durchführung der Vergleichsstudien
zur Solaren Kühlung. Im Monitoring wurden acht unterschiedliche Anlagen der konventionellen
Kühl- und Kältetechnik messtechnisch begleitet, um einen stichprobenartigen Überblick über Be-
trieb und Leistung der Referenztechnik zu erhalten. Die Ergebnisse sind sowohl für die Durchfüh-
rung der Vergleichsstudien im Projekt als auch für projektübergeordnete Abschätzungen zur Leis-
tungsfähigkeit der gegenwärtigen Kältetechnik von Bedeutung.
In den Vergleichsstudien wurden zahlreiche Modellrechnungen zu unterschiedlichen Anwendungen
und mit unterschiedlichen Anlagenkonfigurationen durchgeführt, um Vor- und Nachteile der unter-
schiedlichen Optionen für eine solar unterstützte Kühlung darzustellen. Aus Aufwandsgründen
beschränkt sich der untersuchte Anwendungsbereich in EVASOLK auf geschlossene Systemtechni-
ken; Anlagen mit luftgestützter offener Klimatisierung (z.B. offene sorptionsgestützte Klimatisie-
rung mit solarer Wärme) sind nicht Gegenstand der Untersuchungen.
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Referenztechnik
Monitoringkonventionelle
Kühlung
PrognoseKältetechnik
Solare Kühlung
Analysesolarthermische
Kühlung
Analyse solare Prozesskühlung
Vergleichsstudien
VergleichsstudieSolare Kühlung in
Gebäuden
Vergleichsstudie Solare
Prozesskühlung
Identifizierung vorteilhafter
Anwendungen
Abbildung 1.1 Projektstruktur von EVASOLK.
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2 Zusammenfassung
Eine detailliertere Zusammenfassung der Einzelergebnisse im Projekt findet sich jeweils im Ab-
schnitt 3.2.4 und 3.3.5 sowie jeweils am Ende der Abschnitte 5 und 6.
Im Teil Referenztechnologie des Projektes (Abschnitt 3) wurde der gegenwärtige Stand der den
Markt dominierenden Kompressionskältetechnik für Klimatisierungs- und Prozesskühlanwendun-
gen im Leistungsbereich bis 50 kW Kälteleistung betrachtet.
Über die Angaben der Hersteller zur Effizienz im Nennbetrieb hinaus liegen nur sehr wenige veröf-
fentlichte Ergebnisse von Anlagen im realen Betrieb vor. Innerhalb des Projektes wurden daher acht
Kompressionskälteanlagen vermessen, sechs im Bereich der Komfortklimatisierung, zwei im Be-
reich der Prozesskühlung.
Die Ergebnisse der Vermessung zeigen eine weitgehende Übereinstimmung der im Jahres- bzw.
Saisonverlauf erreichten Effizienzwerte mit Modellen, die im Bereich der Normung zur Beschrei-
bung der energetischen Effizienz verschiedener Typen von Kompressionskälteanlagen verwendet
werden. Allerdings gilt dies nur, wenn die Anlagen bestimmungsgemäß bzw. sinnvoll betrieben
werden. Infolge Überdimensionierung der Kälteanlage, ungünstiger Regelung bzw. fehlender Kom-
munikation zwischen Erzeuger und Verbraucher traten teilweise überproportional hohe Hilfsener-
gieverbräuche auf bzw. wurden die Anlagen in sehr niedriger Teillast betrieben. Dadurch lag die
Effizienz einiger Anlagen unter den eigentlich zu erwartenden Werten.
Insgesamt dienten die gewonnenen Ergebnisse zur Validierung der im Simulationsteil des Vorha-
bens verwendeten Modelle für die Kompressionskältetechnik.
Mittels einer Expertenbefragung wurden Entwicklungstendenzen und –potentiale im Bereich der
Kompressionskältetechnik ermittelt. Dabei wurde deutlich, dass die meisten Befragten von einer
weiter zunehmenden Verbreitung von Klimageräten in Gebäuden ausgehen. Eine überwiegende
Mehrheit geht auch davon aus, dass die Energieeffizienz der Geräte in Zukunft weiter steigen wird
und auch die Bedeutung der Effizienz als Entscheidungskriterium des Kunden zunimmt.
Im Abschnitt 4 des Berichtes wird hauptsächlich auf den separaten Bericht zur Analyse der solar-
thermischen Kühlung hingewiesen. In diesem Dokument wird eine grundlegende Einführung in die
Technik der thermisch angetriebenen Kälteanlagen gegeben. Zudem werden die verschiedenen
Möglichkeiten der thermischen Kühlung aufgezeigt sowie die Abgrenzung der einzelnen Techniken
untereinander gezogen. Neben einer Marktübersicht werden die wichtigsten Erfahrungen von
solarthermischen Kühlsystemen, die in vergangenen Projekten gesammelt wurden, dargestellt und
auf typische Probleme eingegangen. Diese beruhen zumeist auf einer mangelhaften Planung bzw.
Ausführung des gesamten Kühlsystems, bei dem der thermische Kälteerzeuger nur eine Komponen-
te ist. Eine häufige Folge hiervon ist ein erhöhter Bedarf an elektrischer Energie. Gerade der ange-
strebte geringe elektrische Energiebedarf, verglichen mit konventioneller Kompressionskältetech-
nik, ist aber eines der Hauptargumente für solarthermische Kühlung. Ebenso werden die positiven
Erfahrungen von solarthermischen Kühlungsprojekten herausgestellt, auf erzielte Erfolge hingewie-
sen und somit das Potenzial dieser Technik gezeigt.
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Zudem werden in diesem Berichtsteil aktuelle Entwicklungstrends bei geschlossenen thermischen
Kälteerzeugern vorgestellt sowie das Optimierungspotenzial von System- und Apparatetechnik
diskutiert. Damit wird eine Abschätzung gegeben, welche Wirkung und Effizienz thermische ange-
triebene Kälteerzeuger zukünftig erreichen können.
In der Vergleichsstudie Solare Kühlung in Gebäuden (Abschnitt 5) wird nicht ausschließlich solare
Kühlung, sondern die energetische Einbettung der Kühlung in die Gebäudeversorgung Heizen und
Brauchwarmwasserbereitung betrachtet. Durch Modellrechnungen wurden einerseits unterschied-
liche marktgängige Anwendungen und Konfigurationen solarthermisch unterstützter Verfahren
verglichen mit konventioneller Gebäudeversorgung (Referenz). Auf der anderen Seite erfolgte auch
ein Vergleich konventioneller Gebäudeversorgung mit Erweiterung um einen netzgekoppelten PV-
Generator mit der Referenz. Hier wurden keine expliziten Maßnahmen der Steigerung des Eigen-
verbrauchs photovoltaisch erzeugten Stroms durch Speicherung oder Regelung betrachtet; lediglich
die PV-Generatorleistung wurde limitiert um bereits ohne weitere Maßnahmen eine hohe Aufnahme
des generierten Stroms vor Ort zu ermöglichen.
Hinsichtlich der Marktverbreitung befindet sich die solarthermische Kühlung gegenüber konventio-
neller Kältetechnik noch deutlich im Nachteil; insbesondere die thermisch angetriebene Kältetech-
nik ist mit den Fertigungszahlen überwiegend im Kleinserien- oder Einzelstückbereich vergleichs-
weise teuer. Dies schränkt gegenwärtig die Wirtschaftlichkeit solarthermischer Kühlung auf An-
wendungsgebiete ein, in denen auch ein ganzjährig hoher Brauchwarmwasserbedarf vorliegt und
damit eine sehr hohe Ausnutzung des Kollektorsystems gewährleistet ist. Hier sind hohe Primär-
energieeinsparungen und CO2-Emissionsvermeidungen erreichbar. Eine sorgfältige Auslegung der
thermisch angetriebenen kältetechnischen Komponente (keine Auslegung auf Spitzenlast) unter-
stützt die Wettbewerbsfähigkeit. Aufgrund der Kostendegression in den Investitionskosten der
Hauptkomponenten Solarkollektor und thermisch angetriebene Kältetechnik sind zudem große
Anlagen noch gegenüber Installationen mit kleiner Nennkälteleistung im Vorteil.
Südeuropäische Standorte schneiden in der solarthermischen Kühlung durch hohe Einstrahlungen
in der wirtschaftlichen Darstellung in der Regel deutlich günstiger ab als Standorte in Mitteleuropa.
In der Entwicklung der Technologie sollte daher der Exportcharakter berücksichtigt werden.
Während in naher Zukunft nur moderate Effizienzsteigerungen in thermisch angetriebenen Verfah-
ren (Kollektoren und Kältemaschinen) erwartet werden können, sind deutliche Kostensenkungen in
diesen Hauptkomponenten und auch durch standardisierte Installationen eher wahrscheinlich.
Damit erweitert sich der Kreis der wirtschaftlich vorteilhaften Anwendungen, bleibt aber vermut-
lich noch mittelfristig auf Anwendungen mit zusätzlich hohem Warmwasserbedarf beschränkt.
Für die Optionen der konventionellen Gebäudeversorgung mit PV-Generator zeigt sich, dass dieser
Ansatz gegenwärtig deutlich wirtschaftlich vorteilhafter ist, wenn es hauptsächlich um die Substitu-
tion von Netzstrom geht und fossile Energieträger keine dominante Rolle spielen. Je nach Anwen-
dungsart kann dabei die Unruhe im lokalen Stromnetz deutlich zunehmen (Netz-„Stress“) und als
Hinweis auf wachsende Netzbelastung interpretiert werden. Der letzte Aspekt wurde hier nicht
monetär quantifiziert, kann aber in Regionen mit instabilem Stromnetz neben der Wirtschaftlichkeit
ein weiteres Entscheidungskriterium für die Auswahl der Technologie darstellen.
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Für den Bereich der solaren Prozesskühlung (Abschnitt 6) wurden eine Übersicht zu den techni-
schen Ausführungsmöglichkeiten hinsichtlich der solaren Kälteerzeugung und der Kältespeicherung
sowie eine Übersicht verfügbarer Komponenten erstellt. Zudem erfolgte eine beispielhafte Darstel-
lung bisher umgesetzter Projekte.
Im weiterführenden Teil wurden auf Grundlage der besonderen Anforderungen beispielhafte Sys-
temkonfigurationen für solarthermisch und photovoltaisch unterstützte Prozesskältesysteme ent-
wickelt und analysiert sowie Vor- und Nachteile bewertet.
Je ein photovoltaisches und ein solarthermisches System wurden modelliert und unter Variation
verschiedener Parameter am Standort Palermo verglichen. Unter den gewählten Randbedingungen
erreichte das photovoltaisch angetriebene System höhere Primärenergieeinsparungen und solare
Deckungsgrade als das solarthermisch unterstützte System. Auch wenn im Rahmen dieser Betrach-
tungen kein Kostenvergleich vorgenommen wurde, kann davon ausgegangen werden, dass unter
Annahme der aktuellen, deutschen Kostenstrukturen die solarelektrische Variante auch wirtschaft-
liche Vorteile bietet, sowohl gegenüber dem Referenzsystem also auch gegenüber der solarthermi-
schen Variante. Konzentrierende Kollektoren wurden nicht simuliert. Sie erreichen bei den erfor-
derlichen hohen Antriebstemperaturen einen höheren Wirkungsgrad, so dass derartige Systeme
bezüglich der Primärenergieeinsparung und des solaren Deckungsgrades eher mit der photovoltai-
schen Variante konkurrieren können.
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3 Referenztechnologie
Autoren: Sebastian, Wittig, Mathias Safarik (ILK), Peter Zachmeier (ZAE)
3.1 Vermessung bestehender Anlagen
Obwohl Kompressionskälteanlagen den Markt der Kältetechnik dominieren, gibt es wenig Er-
fahrung bezüglich deren in typischen praktischen Anwendungen erreichten Effizienzwerten. Es
sind lediglich Angaben von Prüfstandmessungen verfügbar, die zur Klassifizierung herangezo-
gen werden können. Diese Werte stammen zum Teil von den Herstellern selbst, zum Teil von
externen Prüfstellen wie z.B. der Eurovent Organisation. Die Werte werden allerdings unter La-
borbedingungen ermittelt. Inwieweit diese von der Realität abweichen bzw. welche Besonder-
heiten – oder gar Komplikationen - im Feld zusätzlich auftreten, wird dabei nicht erfasst.
Um für die Simulation eine Basis mit realen Jahresarbeitszahlen bzw. Effizienzwerten zu erhal-
ten, wurden insgesamt acht verschiedene Kompressionskälteanlagen für ein Jahr messtech-
nisch überwacht. Die untersuchten Kälteanlagen waren sowohl Bestandsanlagen als auch Neu-
installationen bei zufällig ausgewählten Anwendern, die für eine Projektzusammenarbeit ge-
wonnen wurden. Um ein möglichst realistisches Bild zu erhalten, wurde kein Einfluss auf die
Planung und Ausführung der Anlagentechnik genommen. Somit sollten typische Betriebszu-
stände inklusive eventueller Über- oder Unterdimensionierung sowie die reale Einbindung ins
Gebäude erfasst werden. Dieser Punkt ist insofern interessant, da das Monitoring von solar-
thermischen Kühlungen häufig suboptimale Systemeinbindungen mit erhöhtem sekundären
Energieverbrauch aufzeigt.
Nr. Anlagentyp Institut
Raumkühlgeräte im Büro- und Wohnbereich (Komfortklimatisierung)
1 Kaltwassersatz, 5…15 kW zur Versorgung von Umluftkühlern (Kältemittel: R410A; Q0 = 13.1 kW)
ILK
2 Kaltwassersatz, 30…50 kW zur Versorgung einer Flächen-/Deckenkühlung (Kältemittel: R407C; Q0 = 46.6 kW)
ZAE
3 Kaltwassersatz, 30…50 kW zur Versorgung von Umluftkühlern (Kältemittel R410A; Q0 = 54 kW)
ZAE
4 Mono-Split-Gerät, 2…5 kW, „Baumarktklasse“ (Kältemittel: R410A, Q0 = 2.65 kW)
ILK
5 Mono-Split-Gerät, 2…5 kW, „Markenanbieter“ (Kältemittel: R410A, Q0 = 5 kW)
ZAE
6 Multi-Split-Gerät, 15…40 kW, „Markenanbieter“ (Kältemittel: R410A, Q0 = 40 kW)
ILK
Anlagen zur Kühllagerung
7 Normalkühlung von Lebensmitteln o.ä. (z.B. Gemüse, Blumen), 10…50 kW, möglichst Solesystem, sonst direktverdampfendes System (Kältemittel: R407C, Q0 = 17.4 kW)
ILK
8 Kühlzelle zur Lebensmittelkühlung (z.B. Handel, Gastronomie); 2…5 kW, direktverdamp-fendes System (Kältemittel: R134a; Q0 = 2.0 kW)
ZAE
Tabelle 3.1.1 Im Betrieb untersuchte Kompressionskälteanlagen
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Das Monitoringprogramm umfasst Messungen an acht Kälteanlagen, die sich hinsichtlich Ein-
satzzweck und Leistungsgröße unterscheiden und sowohl Kaltwassersätze als auch direktver-
dampfende Systeme umfassen. Es wurden sechs Anlagen zur Gebäudekühlung und –klima-
tisierung sowie zwei weitere Anlagen aus der gewerblichen Kühllagerung vermessen. Der Käl-
teleistungsbereich der untersuchten Installationen umfasst ca. 2.5 kW bis 50 kW. In Tabel-
le 3.1.1 sind die definierten Anwendungsbereiche mit den jeweils vermessenen Anlagen aufge-
führt. Der Tabelle kann ebenfalls das jeweils zuständige Institut entnommen werden.
Von den acht betrachteten Kälteanlagen wurden vier Anlagen vom ILK Dresden ausgesucht und
überwacht, weitere vier betreute das ZAE Bayern. Da diese Arbeiten hauptsächlich von den je-
weiligen Instituten erledigt wurden, werden die Vorkommnisse und Ergebnisse der beiden Pro-
jektpartner getrennt dargestellt.
3.2 Vermessungen ILK Dresden
3.2.1 Beschreibung der Kältesysteme
Kaltwassersatz, 5…15 kW
Der Kaltwassersatz mit einer Nenn-Kälteleistung von 13.1 kW ist auf dem Dach des Wirt-
schaftsgebäudes einer Bundeswehrkaserne installiert (Abbildung 3.2.1). Er versorgt über einen
Wasser-Glykol-Kreislauf Umluftkühler in verschiedenen Büroräumen. Aufgrund bautechnischer
und formeller Verzögerungen konnte die Vermessung an diesem Gerät erst im April 2012 be-
gonnen werden. Hinzu kamen technische Probleme nach der Inbetriebnahme, sodass während
der Projektlaufzeit nur 5.5 Stunden Verdichterbetrieb ausgewertet werden konnten.
Abbildung 3.2.1 Kaltwassersatz, Q0 = 13.1 kW (links) und Umluftkühler (rechts)
Mono-Split Gerät, 2…5 kW, „Baumarktklasse“
Das in einem Baumarkt erworbene Gerät (Abbildung 3.2.2) mit einer Nenn-Kälteleistung von
2.65 kW wurde im Mai 2011 einer Laborvermessung unterzogen, mit der das Messverfahren
überprüft wurde. Ende Juni 2011 wurde das Gerät dann in einem vom ILK genutzten Büro in
Dresden in Betrieb genommen und über die verbleibende Zeit der Kühlsaison 2011 sowie der
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gesamten folgenden Kühlsaison bis September 2012 betrieben worden. In diesem Zeitraum
leistete der Verdichter etwa 2800 Betriebsstunden.
Abbildung 3.2.2 Mono-Split-Gerät, Q0 = 2.65 kW; Außen- (links) und Innengerät (rechts)
Multi-Split-Gerät, 15…40 kW, „Markenanbieter“
Die VRF-Multi-Split-Anlage wurde im Frühsommer 2011 im Hauptgebäude des ILK in Dresden
installiert (Abbildung 3.2.3). Insgesamt wird das Gebäude von 6 Außeneinheiten mit einer
Nenn-Kälteleistung von je 40 kW versorgt. Die vermessene Einheit kühlt und heizt Büros auf
der Nord- und Südseite des 3. OG sowie auf der Südseite des 2. OG (insgesamt 25 Innengeräte).
Der Messbetrieb lief vom Juni 2011 bis September 2012. Ausgewertet wurden 1219 Stunden
Kühlbetrieb im Jahr 2011 und 2026 Stunden im Jahr 2012.
Normalkühlung von Lebensmitteln, 10…50 kW
In einem Lehr- und Forschungsgebäude in Dresden werden mehrere Kühlzellen (+6°C) betrie-
ben, die über Luftkühler mittels Wasser-Glykol-Gemisch gekühlt werden (Temperaturen im
Vor-/Rücklauf: -2/+4°C). Die Kälte wird von zwei Solekühlsätzen mit einer Nenn-Kälteleistung
von je 17,4 kW erzeugt (Abbildung 3.2.3). Einer dieser Solekühlsätze wurde vermessen. Mess-
werte wurden in dem Zeitraum April 2011 bis September 2012 aufgezeichnet. Den Auswertun-
gen liegen Messdaten von ca. 5726 Stunden Verdichterbetrieb zugrunde.
Abbildung 3.2.3 Multi-Split-Gerät, Q0 = 40 kW (links); Solekühler, Q0 = 17.4 kW (rechts)
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3.2.2 Messmethode
Allgemeine Vorgehensweise
An den oben genannten Systemen wird messtechnisch die jeweils momentane Effizienz in ei-
nem ca. einjährigen Messzyklus erfasst, um die aus Normen und Regelwerken entnommenen
Effizienzwerte der Kälteerzeugung für den Systemvergleich durch Ergebnisse aus der beschrie-
benen, nicht repräsentativen Auswahl an vermessenen Geräten zu untersetzen.
Zur Beurteilung der Kälteanlagen bei direktverdampfenden Systemen (Split-Anlagen) werden
Kältemittel-Massenstrom (flüssig), Kondensationsdruck, Verdampfungsdruck, Temperatur des
Kältemittels nach dem Kondensator (flüssig) sowie vor dem Verdichter (gasförmig), Lufttempe-
ratur am Kondensator-Eintritt, Außenluftfeuchte, ggf. luftseitige Temperaturen an einem In-
nengerät und elektrische Leistungsaufnahme des Außengerätes (Verdichter, Ventilator, Steue-
rung) gemessen. Unter Nutzung der vorliegenden Stoffdaten des jeweiligen Kältemittels wird
die momentane Kälteleistung aus dem Messwerten berechnet.
Bei Kaltwassersätzen bzw. Solekühlern kann die Kälteleistung über den Kälteträgerkreislauf bi-
lanziert werden, sodass Kaltwasser-/Sole-Volumen- oder Massenstrom, Temperaturen des Käl-
teträgers am Ein- und Austritt aus der Kälteanlage zu vermessen sind. Darüber hinaus werden
Lufttemperatur am Kondensator-Eintritt, Außenluftfeuchte, ggf. luftseitige Temperaturen an
einem Innengerät und elektrische Leistungsaufnahme der Kälteanlage (Verdichter, Ventilator,
Steuerung, evtl. Pumpe) erfasst (Abbildung 3.2.4).
Abbildung 3.2.4 Exemplarische Darstellung der Messstellen an einem Kaltwassersatz / Solekühler (links) und einem Split-Gerät (rechts), T – Temperaturerfassung mit PT-100 direkt im Medium, M – Luft-feuchteerfassung, F – Massestromerfassung mit Coriolis-Massendurchflussmesser, P – Druckerfassung, J – elektrische Leistungserfassung
Sämtliche Sensoren sind mit einem Datalogger verbunden, welcher über Fernzugriff bedient
und ausgelesen werden kann. Bei der Auswahl der Sensoren und des Installationsortes wurde
die Notwendigkeit der sehr genauen Messung der Kältemittel-Drücke, -Temperaturen sowie
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des Massestroms berücksichtigt (Genauigkeiten der verwendeten Messtechnik siehe Tabel-
le 3.2.1).
Sensor / Messbaustein Messbereich Genauigkeit
Drucksensor 0...40 bar (absolut) ± 0,1 % (FS)
Temperatursensor -50...100 °C ± 0,1 K
Coriolis-Durchflussmesser (Mono-Split) 0...450 kg/h ± 0,1 % (FS)
Coriolis-Durchflussmesser (Multi-Split) 0…2000 kg/h ± 0,15 % (FS)
Magnetisch-Induktiver Durchflussmesser (Sole/Kaltwassersatz)
0,3…12 m/s ± 0,3 % + 2 mm/s
Elektrische Leistungsmessung 0…3 kW / 0…15 kW ± 2 % (FS)
Tabelle 3.2.1 Messbereich und Genauigkeit verwendeter Sensoren / Messbausteine
Aus den gemessenen bzw. berechneten Werten zur Kälteleistung und dem elektrischen Ener-
giebedarf (Endenergie) lässt sich die Kälteleistungszahl (EER) ableiten. Wenn nicht anders an-
gegeben beinhalten die Berechnungen nur den Endenergiebedarf des Außengerätes (Verdich-
ter, Rückkühlung, Elektronik). Eventuell vorhandene Kaltwasserpumpen und Ventilatoren bzw.
weitere Verbraucher im Innengerät werden zu Vergleichszwecken unterschiedlich berücksich-
tigt, was jeweils entsprechend gekennzeichnet wird.
Die Anlagenperformance lässt sich dann bei verschiedenen Temperaturbedingungen abbilden.
Soweit die erfassten Messwerte es zulassen, wird dazu die Leistungszahl über der Temperatur-
differenz zwischen der Außenluft (zur Rückkühlung) und der Innenluft bei Split-Systemen bzw.
der Kälteträgervorlauftemperatur bei Kaltwassersystemen aufgetragen. Zur Einordnung dieser
Ergebnisse erfolgt die Gegenüberstellung mit einer aus der Norm DIN V 18599–7 [18599, 2007]
abgeleiteten Kennlinie zu den jeweiligen Kompressionskältesystemen. Diese Norm dient zur
Bewertung der Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden. Darüber hinaus werden die Hersteller-
angaben mit den Messergebnissen verglichen. Die aus den Messwerten über eine möglichst ge-
samte Kühlsaison gemittelte Kälteleistungszahl (sEER) wird, soweit möglich, ebenfalls berech-
net.
Validierung der Messmethode
Das Mono-Split-Gerät wurde vor dem Monitoring einer Laborvermessung unterzogen. Dies er-
möglichte eine Überprüfung der Messmethode und eine Abschätzung der Ergebnisbeeinflus-
sung durch die Installation von Messtechnik im Kältekreislauf. Zur Vermessung im Labor wurde
der in Abbildung 3.2.5 dargestellte Versuchsaufbau gewählt. Außen- und Innengerät werden in
zwei durch eine Wand getrennten Klimazellen installiert. In beiden Zellen ist die Lufttempera-
tur über Umluftkühler einstellbar. Die Lufttemperatur der „Kalorimeterkammer“, in der sich
das Innengerät befindet, wird durch einen elektrischen Widerstandsheizer auf die Soll-
Temperatur geregelt. Eine Einstellung der Luftfeuchte innerhalb der „Kalorimeterkammer“ war
nicht möglich. Im stationären Messbetrieb trat kein Kondensatanfall durch Luftentfeuchtung
auf. Die „Kalorimeterkammer“ befindet sich innerhalb einer weiteren Klimazelle („Große Zel-
le“), in der gleiche Temperaturbedingungen wie in der „Kalorimeterkammer“ eingestellt wur-
den.
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Abbildung 3.2.5 Versuchsaufbau der Laborvermessung des Mono-Split Gerätes, T – Temperatur mit PT-
100 direkt im Medium, M – Luftfeuchte, F – Massestrom mit Coriolis-Massendurchflussmesser, P – Druck, J –
Leistung
Die vom Innengerät aufgenommene Wärme kann kalorimetrisch durch Summation der vom
elektrischen Widerstandsheizer abgegebenen Wärme und der durch die Trennwand zwischen
„kleiner Zelle“ und „Kalorimeterkammer“ übertragenen Wärme bestimmt werden. Letztere
lässt sich aus den gemessenen Oberflächentemperaturen der Trennwand und einer bekannten
Konstante ableiten. Damit lässt sich die Kälteleistung des Gerätes errechnen. Parallel und unab-
hängig davon wird die Messmethode angewendet, welche auch bei dem Monitoring zum Ein-
satz kommt. Dabei werden an verschiedenen Stellen des Kältekreislaufes Druck, Temperatur
und Massestrom erfasst (vgl. auch Abbildung 3.2.5). Aus diesen Messwerten lässt sich ebenfalls
die Kälteleistung berechnen. Die Abweichungen der Ergebnisse aus beiden Messmethoden lie-
gen in einem sehr kleinen Bereich von ≤ 2,2 % (siehe Abbildung 3.2.6). Der Einfluss der für das
Monitoring im Kältekreislauf installierten Messtechnik kann damit als ausreichend gering be-
wertet werden.
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
-5 0 5 10 15
Gem
essen
e K
ält
ele
istu
ng
[kW
]
Differenz Lufteintrittstemperatur Außen- / Innengerät [K]
Messmethode Monitoring (Innentemp. 21 C)
kalorimetrisch Methode (Innentemp. 21 C)
Messmethode Monitoring (Innentemp. 27 C)
kolorimetrische Methode (Innentemp. 27 C)
Abbildung 3.2.6 Gegenüberstellung der im Laborversuch parallel mit zwei verschiedenen Mess-
methoden bestimmten Werte für die Kälteleistung
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3.2.3 Ergebnisse
Kaltwassersatz 5…15 kW
Bei dem vermessenen Kaltwassersatz kommt es immer wieder zu technischen Problemen und
Ausfällen während des Messzeitraumes. Die Anlage ist nicht leistungsgeregelt. Entsprechend
der Schalthysterese liegt die Kälteträgervorlauftemperatur zwischen ca. 9 °C und 17 °C (Abbil-
dung 3.2.7). Bei Erreichen des unteren Grenzwertes wird der KM-Verdichter deaktiviert und
erst bei Erreichen des oberen Grenzwertes aktiviert. Hierdurch ergibt sich ein intermittieren-
der Betrieb der Anlage. Die relativ kurze Kälteerzeugungsphase von unter 5 Minuten innerhalb
eines Intervalls, sowie die geringe Temperaturdifferenz von Vor- und Rücklauftemperatur des
Kaltwassers bei deaktiviertem Kaltwassererzeuger lassen auf eine geringe bzw. keine Kältelast
in diesem Zeitraum schließen. Messdaten zu Betriebsphasen mit höheren Kältelasten und län-
geren Betriebszyklen liegen nicht vor.
Verdichter läuft, KW-Pumpe läuft
Verdichter steht, KW-Pumpe läuft weiter, keine signifikante Kälteabnahme
3 min 11 min
Abbildung 3.2.7 Typischer Leistungs- und Temperaturverlauf während der kurzen Betriebsphase des
Kaltwassersatzes im Juli - hier 04.07.2012 (1 – Kaltwasser-Rücklauf (hellgrün), 2 – Kaltwasser-Vorlauf
(blau), 3 – Außentemperatur (dunkelgrün), 4 – Kälteleistung (hellgrün), 5 – elektrische Leistung (rot))
In Abbildung 3.2.8 sind die bisherigen, nicht repräsentativen Ergebnisse dargestellt, wobei zwi-
schen den EER-Werten mit und ohne Kaltwasser-Pumpe (KW-Pumpe) unterschieden wird. In-
teressant ist dieser Vergleich, da die KW-Pumpe durchgängig, unabhängig vom Betrieb des
Kaltwassererzeugers bzw. der Umluftkühler in Betrieb ist. Der Bauherr hatte sich aufgrund der
investiven Mehrkosten gegen eine bedarfsgesteuerte Zuschaltung der KW-Pumpe entschieden.
Bei einer Zuschaltung der KW-Pumpe nach Bedarf ergeben sich EER-Werte, die sich je nach Be-
triebszykluslänge zwischen den dargestellten Ergebnissen einordnen würden.
Die aus den Messwerten berechnete Kennlinie ohne KW-Pumpe liegt nur leicht unterhalb der
aus der DIN V 18599-7 entsprechend abzuleitenden Kennlinie. Signifikante Unterschiede zur
gemessenen Kennlinie zeigen die Herstellerangaben, die deutlich höhere Leistungszahlen ver-
sprechen. Mögliche Gründe für die schlechte Anlagenperformance sind:
Der Kälteträger ist aus Frostschutzgründen ein Gemisch aus Wasser und Glykol. Hierdurch
wird der EER negativ beeinflusst.
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Das instationäre Betriebsverhalten mit Verdichterlaufzeiten von nur 3 bis 5 min. Die weni-
gen vor-liegenden Messergebnisse deuten darauf hin, dass die Leistungszahl im Beharrungs-
zustand deutlich über den bisher aufgetretenen Werten im ausschließlich intermittierenden
Betrieb liegt.
Die noch nicht endgültig geklärte Ursache der immer wieder aufgetretenen technischen Stö-
rungen hat möglicherweise einen negativen Einfluss auf den EER. Auch unabhängig davon
vorhandene technische Mängel sind denkbar (z.B. Kältemittelmangel).
Das Ableiten eines sEER-Wertes ist mit den vorliegenden Messwerten nicht möglich, da bis-
her kein regulärer Betrieb ohne immer wiederkehrende technische Störungen über einen
längeren Zeitraum vermessen werden konnte.
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25 30
EE
R
Differenz Außen- und Kaltwasservorlauftemperatur [K]
ohne KW-Pumpe (KW-Soll-Vorlauftemp.: 9 C)
mit KW-Pumpe (KW-Soll-Vorlauftemp.: 9 C)
ohne KW-Pumpe nach DIN 18599-7 (KW-Vorlauftemp.: 8 C)
Herstellerangaben (KW-Vorlauftemp.: 8 C)
Abbildung 3.2.8 Aus den nicht repräsentativen Messungen am Kaltwassersatz resultierende Werte für
den EER (mit/ohne Kaltwasserpumpe) im Vergleich zu den Kennlinien aus der DIN V 18599-7 und den Her-
stellerangaben
Mono-Split Gerät, 2…5 kW, „Baumarktklasse“
An Tagen mit gemäßigten Außentemperaturen arbeitet das Gerät im Taktbetrieb. Die Kühllast
des Raumes konnte zu jeder Zeit gedeckt und die Raumsolltemperatur von 24 °C eingehalten
werden. Abbildung 3.2.9 zeigt einen Tagesverlauf an einem heißen Sommertag. Bis 11:00 Uhr
arbeitet das Gerät im Taktbetrieb, danach bis zum Ende des eingestellten Zeitprogramms um
17:00 Uhr im Dauerbetrieb. Die eingestellte Raumsolltemperatur von 24 °C wird leicht über-
schritten, die Kühllast kann aufgrund des hohen Fensteranteils und einer Außentemperatur von
über 30 °C nicht vollständig gedeckt werden. Der EER des Außengerätes verringert sich mit an-
steigender Außentemperatur, sinkt aber selbst bei 32 °C Außentemperatur nicht unter einen
Wert von drei. Im Tagesmittel wird ein Wert von 3.48 ohne Innengerät und 3.00 mit Innengerät
erreicht.
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COP = 3,48
nur Außengerät
COP = 3,0
Inkl. Innengerät
Abbildung 3.2.9 Betriebsdaten und Anlageneffizienz des Mono-Split-Gerätes an einem heißen Sommer-
tag (AG–Außengerät; IG–Innengerät; KM–Kältemittel; Kond.–Kondensator)
Aus den gesammelten Messdaten der beiden Kühlsaisons werden Kälteleistungszahlen für je-
den Betriebszyklus berechnet (aus der vom Außengerät aufgenommenen elektrischen Leistung
bzw. Arbeit und der Kälteleistung/-arbeit im Zeitraum zwischen Starten und Abschalten des
Verdichters). In Abbildung 3.2.10 sind die ermittelten Werte des EER aller Kälteerzeugungs-
phasen vom Juni 2011 bis September 2012 dargestellt. Die Wertedarstellung erfolgt bewusst in
drei Zeitabschnitten (Kühlsaison 2011, Kühlsaison 2012 vor August, August – September
2012). Hierbei fallen sehr deutlich unterschiedliche EER-Niveaus auf. Von 2011 zu 2012 ist ein
signifikanter Effizienzverlust erkennbar. Im August 2012 wurde aufgrund dieser Beobachtung
eine Gerätewartung veranlasst. Dabei war ein Leck an einer Messstelle im Kältekreislauf und
Kältemittelmangel feststellbar (ca. 30 % der ursprünglichen Kältemittelfüllmenge war entwi-
chen). Nach der Beseitigung des Lecks und dem Auffüllen des Kältemittels ergaben sich höhere
Effizienzwerte (Messwerte August – September 2012). Darüber hinaus ließ sich feststellen,
dass im ersten Tageszyklus erkennbar schlechtere EER-Werte erreicht werden, als im nachfol-
genden Betrieb - sehr wahrscheinlich bedingt durch instationäre Anlaufvorgänge.
Die Monitoringergebnisse stimmen gut mit den Ergebnissen aus den Labormessungen überein.
Wobei dies besonders für die Monitoringergebnisse des Zeitraumes kurz nach den Labormes-
sungen gilt (Anfang Saison 2011). Änderungen der Kältemittelfüllmengen verursachen entspre-
chende Abweichungen innerhalb der anderen Zeiträume. Darüber hinaus wurde eine Luftent-
feuchtung am Verdampfer während der Labormessungen verhindert (geringe Luftfeuchtigkeit
in der Klimazelle). Eine Kondensation von Wasser kann während des Monitorings nicht ausge-
schlossen werden und führt evtl. zu geringfügig höheren Leistungszahlen.
Die vom Hersteller angegebene Leistungszahl konnte prinzipiell bestätigt werden, auch wenn
sie leicht über den gemessenen Werten am Nennpunkt liegt (Gemessen ca. 3.0; Herstelleranga-
ben 3.2). Die Anlage mit korrekter Kältemittelfüllmenge arbeitet 25 – 50 % über dem Effizienz-
niveau welches aus der DIN V 18599-7 für ein solches Gerät ableitbar ist (vgl. Abbil-
dung 3.2.11).
Aufgrund der Leckage lässt sich kein sEER-Wert für eine gesamte Kühlsaison angeben, der sich
bei einem technisch einwandfreien Zustand einstellt. Je nach betrachtetem Auswertungszeit-
raum liegt der Wert bei 3.5 (gesamter Messzeitraum, inkl. Leckage) bis 4.1 (nach Behebung der
Lecks im Kältekreislauf, aber nicht repräsentativer Außentemperaturverteilung). Diese Werte
gelten für den Fall, bei dem der Strombedarf des Innengeräts in die Berechnung mit einbezogen
wird. Ohne Einbeziehen des Innengerätes ergeben sich Werte von 4.1 bis 4.7.
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1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15
EE
R
Differenz Außenluft- und Raumlufttemperatur [K]
1. Betriebszyklus pro Tag
Restliche Betriebszyklen (Saison 2011)
Restliche Betriebszyklen (Saison 2012, vor August)
Restliche Betriebszyklen (August - September 2012)
nach DIN V 18599 - 7
Herstellerangaben
Loborvermessung
Abbildung 3.2.10 Aus den Messungen am Mono-Split-Gerät resultierende Werte für den EER im Vergleich
zu der Kennlinie aus der DIN V 18599-7 und den Herstellerangaben (Werte beinhalten den elektrischen Leis-
tungsbedarf des Innengerätes)
Multi-Split Gerät, 15…40 kW, „Markenanbieter“
Die Auswertung der Messergebnisse bzw. die Bewertung der Effizienz wird durch die Komple-
xität dieser Anlage erschwert. So treten z.B. Zustände auf, bei denen die Kondensataustritts-
temperatur aus dem Außengerät deutlich unter der Lufttemperatur liegt. Dies lässt auf einen
Verdampfer im Außengerät schließen, mit dem eine zusätzliche Unterkühlung des Kondensats
hergestellt wird, um bei langen Leitungswegen eine Verdampfung des (Hochdruck-)Kälte-
mittels vor Erreichen der Innengeräte zu vermeiden. Die Blasenfreiheit des Kältemittels ist für
die ordnungsgemäße Funktion der Expansionsventile an den Innengeräten erforderlich. Bei-
spielhaft für einen sehr warmen Tag sind in Abbildung 3.2.11 einige Messergebnisse dargestellt.
Abbildung 3.2.11 VRF-Multi-Split-Gerät, Temperaturen und Leistungszahl, Tag mit hohen Außen-
temperaturen (AG_Luft-Ein – Lufttemperatur am Eintritt des Außengerätes, T_c – Austrittstemperatur des
Kältemittels am Kondensator des Außengerätes, saugseitige Eintrittstemperatur des Kältemittels am Au-
ßengerät)
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 20
Bei der vermessenen Anlage handelt es sich um ein Gerät mit VRF-Technologie (Variable Refri-
gerant Flow, dt.: variabler Kältemittelmassestrom). Ein variabler Kältemittelmassestrom wird
über die kombinierte Nutzung mehrerer Verdichter im Verbund und die Kombination mit einer
Verdichter-Drehzahlregelung realisiert. Hierdurch kann die Anlage auch im Teillastbereich be-
trieben werden. Um Erkenntnisse bezüglich des Teillastbetriebes der Anlage zu gewinnen wur-
de das in Abbildung 3.2.12 aufgetragene Kennfeld aus den Messwerten abgeleitet. Bei der Dar-
stellung erfolgt ausschließlich die Berücksichtigung der Außentemperatur (keine Differenz zur
Innentemperatur), da mit einem Außengerät mehrere Innengeräte bei voneinander abwei-
chenden Raumlufttemperaturen betrieben werden. Neben der Abhängigkeit von der Außen-
temperatur wird die Leistungszahl stark davon beeinflusst, in welchem Teillastbereich Kälte
erzeugt wird. Die gemessenen Daten wurden in Kälteleistungsklassen eingeordnet. So ergibt
sich je Klasse eine leistungsspezifische Kennlinie, welche die Temperaturabhängigkeit des EER
abbildet. Hier ist gut ersichtlich, dass bei einer sehr geringen Kälteleistung (bis ca. 12 % der
Nennleistung) die Leistungszahlen über alle Bereiche der Außentemperatur sehr niedrig sind
(2.0 – 3.0). Verursacht wird dies durch die Teillastregelung der Anlage. Bei einer Kälteleistung
über 25 % der Nennleistung arbeitet die Anlage deutlich effizienter mit Leistungswerten zwi-
schen ca. 4.0 bei 32 °C und 10.0 bei 12 °C Außentemperatur.
0
2
4
6
8
10
12
10 15 20 25 30 35 40
EE
R
Außentemperatur [ C]
Q0=0..5KW
Q0=5..10KW
Q0=10..15kW
Q0=15..40KW
nach DIN V 18599-7
Herstellerangaben (Q0=40kW)
Abbildung 3.2.12 Gemessenes Kennfeld des Multi-Split-Gerätes. In Leistungsbereichen oberhalb einer
Leistung von 10 kW ergeben sehr ähnliche Kennlinien, sodass die Bereiche von 15 bis 40 kW zur besseren
Übersichtlichkeit zusammengefasst wurden. (Auswertungszeitraum: März – September 2012, Werte ohne
Innengeräte)
Eine hohe Effizienz der Anlage kann aber auch im unteren Leistungsbereich wichtig sein. Be-
sonders dann, wenn die Anlage in diesem Bereich häufig betrieben wird. Abbildung 3.2.13 zeigt
dazu die Anteile der erzeugten Kälte innerhalb verschiedener Kälteleistungsklassen für das Jahr
2011 sowie für das Jahr 2012. Im Jahr 2011 wurde knapp die Hälfte der Kältearbeit im Leis-
tungsbereich 0...5 kW bereitgestellt. Im Jahr 2012 ist die Verteilung etwas in Richtung größerer
Leistungsklassen verschoben. Dennoch zeigt sich, dass gerade einmal 8.8 % (2011) bzw. 21.3 %
(2012) der Kälte in der oberen Hälfte des Leistungsbereiches erzeugt wird. Eine bessere Aus-
lastung des Systems im Jahr 2012 beeinflusst die über die Kühlsaison gemittelte Leistungszahl
(sEER) signifikant positiv (2011: 3.1; 2012: 4.4; 2011 und 2012: 3.9). Die Dimensionierung ei-
ner solchen Anlage hat damit einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtenergieeffizienz.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 21
45.6
23.2
13.59.0
4.91.8 1.0 1.1
17.6
31.0
16.813.3
9.17.1
3.81.3
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0..5 5..10 10..15 15..20 20..25 25..30 30..35 35..40
EE
R
An
teil
am
Gesam
tkält
eerz
eu
gu
ng
[%
]
Kälteleistungsklassen [kW]
Anteil (Jul. - Nov. 2011)
Anteil (Mar. - Sep. 2012)
EER (jeweils über gesamten Temp.-Bereiche gemittelt)
EER (nach DIN V 18599-7)
Abbildung 3.2.13 Verteilung der erzeugten Kälte über definierte Kälteleistungsbereiche für Juli – Novem-
ber 2011 und März – September 2012, sowie die über den gesamten Außentemperaturbereich gemittelten
EER der jeweiligen Kälteleistungsbereiche in Gegenüberstellung zur Kennlinie aus der DIN V 18599-7
Die Herstellerangaben zur Leistungszahl im Nennpunkt sind plausibel (vgl. Abbildung 3.2.12),
auch wenn damit das Verhalten im Teillastbereich keine Berücksichtigung findet. Die aus der
DIN V 18599-7 abgeleitete Kennlinie liegt zentral im gemessenen Kennfeld, kann aber als ein-
zelne Kennlinie die Zusammenhänge zwischen Leistungszahl, Kälteleistung und Temperatur
nicht abbilden. Die Kennlinie aus der Norm und der aus den Messungen, über alle Temperatur-
bereiche gemittelte Kennlinie der Anlageneffizienz beschreiben ein ähnliches Anlagenverhal-
ten (vgl. Abbildung 3.2.13). Die Betriebsbedingungen (Verteilung der Außentemperatur wäh-
rend des Anlagenbetriebes) beeinflussen den Verlauf dieser Kurve, sodass Abweichungen zu
erwarten sind.
Normalkühlung von Lebensmitteln o.ä., 10…50 kW, Solesystem
Die Auswertung der Daten zeigt einen in der Regel taktenden Betrieb des Solekühlers (vgl. Ab-
bildung 3.2.14), der nicht über eine Leistungsregelung verfügt und einen kleinen Pufferspeicher
versorgt. Von diesem werden die verschiedenen Verbraucher versorgt. Für die Auswertung
wurde ein Algorithmus zur Berücksichtigung des An- und Nachlaufverhaltens entwickelt, da die
Solepumpe 1 min vor Start des Kühlers in Betrieb geht und nach Ende des Verdichterbetriebs
für 1 min nachläuft.
Die Dauer eines Betriebszyklus wirkt sich auf die Effizienz der Anlage aus. Daher wurden die
ermittelten Daten nach der Länge des Betriebszyklus sortiert. In Abbildung 3.2.15 ist beispiel-
haft die Leistungszahl als Funktion des Temperaturhubs für Betriebszyklen dargestellt, die zwi-
schen 20 und 30 min lang waren. Der EER liegt zwischen ~2.4 bei einem Temperaturhub von
10 K und 1.4 bei einem Temperaturhub von 30 K.
Die Beurteilung der Anlageneffizienz ist aufgrund der relativ niedrigen Sole-
Vorlauftemperaturen (bis zu -4 °C) nicht ohne weiteres möglich. Der Anlagenhersteller liefert
ausschließlich einen EER-Wert für Standardbedingungen (2.78 bei 7/12 °C und 35 °C Außen-
temperatur). Ein Vergleich der gemessenen EER-Werte mit der DIN V 18599-7 ist streng ge-
nommen nicht möglich, da die Norm-Standardwerte für die Nennkälteleistungszahlen nur für
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 22
Kaltwasseraustrittstemperaturen zwischen 6 °C und 14 °C vorgibt. Um neben den Herstelleran-
gaben eine zusätzliche Bewertung der Ergebnisse zu ermöglichen, wird eine lineare Extrapola-
tion der in der Norm vorgegebenen Standardwerte vorgenommen und die entsprechende
Kennlinie zum Teillastverhalten abgeleitet (ebenfalls Abbildung 3.2.15). Bei einem Vergleich zu
den Messwerten ergeben sich ähnliche Kennlinienniveaus. Über den gesamten Messzeitraum
von April 2011 bis März 2012 lässt sich ein sEER-Wert von 2.33 berechnen. Bei diesem Wert ist
der Energiebedarf der Solepumpe nicht beinhaltet.
Abbildung 3.2.14 Exemplarischer Verlauf der Messwerte zur Verdeutlichung des Sole-Pumpen-
Betriebsverhaltens (1 – Temp. Kälteträger Eintritt in Solekühler (grün, linke Achse), 2 – Kälteträger Austritt
aus Solekühler (dunkelblau, linke Achse), 3 – Außenlufttemperatur, Temp. Eintritt Solekühler (rot, linke Ach-
se), 4 – Volumenstrom Kälteträger (dunkelgrün, linke Achse), 5 – Elektrische Leistungsaufnahme, W (hell-
blau, rechte Achse (4)), 6 – Kälteleistung, kW (orange, linke Achse))
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1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
-20 -10 0 10 20 30 40
EE
R
Differenz Außen- und Soleaustrittemperatur [K]
Messungen (-2/+4 C)
DIN V 18599 - 7 (Extrapolation auf VL -2 C)
Hersteller-angaben (7/12 C)
Abbildung 3.2.15 Abhängigkeit der Leistungszahl des Solekühlers von der Temperaturdifferenz zwischen
Außentemperatur und Kälteträgeraustrittstemperatur für Betriebsintervalle von 20…30 min (Messzeitraum
April 2011 bis März 2012), Leistung der Solepumpe nicht berücksichtigt
3.2.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerung
An drei der vier ausgewählten Kompressionskältesysteme konnten Messungen über einen Zeit-
raum von über einem Jahr zur Effizienzermittlung erfolgreich durchgeführt werden. Die von
den Herstellern dieser Anlagen angegebenen Leistungszahlen erweisen sich in der Praxis als
weitestgehend plausibel. Dies gilt besonders für die beiden vermessenen Split-Geräte. Aller-
dings lassen sich aus den Datenblattangaben zu dem Multi-Split-Gerät keinerlei Erkenntnisse
zum Teillastverhalten ableiten. Bei sehr geringer Teillast (unter 12 % der Nennkälteleistung)
arbeitet die Anlage deutlich unterhalb der Performance des Nennpunktes (bis zu 50 % weniger
effizient), was bei einem Vergleich mit anderen Systemen aber zwingend berücksichtigt werden
muss. Bei dem Gerät der Kategorie ‚Normalkühlung von Lebensmitteln o.ä., 10…50 kW‘ treten
große Abweichungen zwischen Messergebnissen und Herstellerangaben auf. Dies ist jedoch mit
den niedrigen Kälteträgertemperaturen (-2 / +4 °C) bei dem vermessenen Gerät erklärbar. Der
Hersteller hat nur Angaben zu einem höheren Temperaturniveau gemacht (7 / 12 °C). Insge-
samt liefern die Ergebnisse belastbare Basisdaten für Vergleiche mit solarthermischen Kälte-
systemen.
Für eines der vier vermessenen Geräte (Kaltwassersatz der Größenklasse 5…15 kW) sind die
Messdaten nur sehr bedingt aussagekräftig. An diesem Gerät traten während des Messzeitrau-
mes immer wieder Störungen auf, die keinen regulären Betrieb zuließen.
Interessant ist das relativ gute Abschneiden des Mono-Split-Gerätes im Vergleich zum Multi-
Split-Gerät mit variablen Kältemittelmassestrom (VRF). Trotz einer geringeren Kälteleistungs-
zahl im Nennpunkt (Mono-Split: 3.23; Multi-Split: 3.62) liegt der sEER des Mono-Split-Gerätes
mit 4.1 leicht über dem Wert des Multi-Split-Gerätes mit 3.9 (jeweils ohne Endenergiebedarf
des/der Innengeräte(s), für den gleichen Messzeitraum von Mitte 2011 bis September 2012).
Bei diesem Vergleich bleiben allerdings die unterschiedlichen Betriebsbedingungen der beiden
Anlagen unberücksichtigt, da z.B. beim VRF-Gerät eine Erfassung der Lufttemperaturen aller 25
Innengeräte nicht möglich war. Dennoch belegen die Monitoring-Ergebnisse die Bedeutung ei-
ner sorgfältigen Auslegung.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 24
Die aus der DIN V 18599 Teil 7 abgeleiteten Kennlinien liefern z.T. relativ gute Übereinstim-
mungen mit den Messwerten (Kaltwassersatz, Multi-Split-Gerät, Solekühler). Teilweise ergeben
sich aber auch größere Abweichungen, so liegen die der Norm entnommenen Leistungszahlen
des Mono-Split-Gerätes je nach Außentemperatur 25 – 50 % niedriger als die gemessenen. Zu-
dem wird das komplexere Kennfeld der Multi-Split-Anlage mit VRF nur sehr stark vereinfacht
abgebildet. Diese Norm dient als Werkzeug für ein Kennwertverfahren zur Bewertung der Ge-
samtenergieeffizienz von Gebäuden. Darin enthaltene Kennwerte unterliegen zwangsläufig be-
stimmten Vereinfachungen und Verallgemeinerungen, sodass sie nicht alle installierten Anla-
gen korrekt abbilden können.
Die geringe Anzahl vermessener Anlagen lässt keine allgemein gültigen Aussagen zu, unter-
stützt aber die Annahmen innerhalb des Systemvergleichs solarthermischer und solarelektri-
scher Kühlung.
3.3 Vermessungen ZAE Bayern
Die vier vom ZAE Bayern betreuten Kompressionskälteanlagen umfassen zwei Kaltwassersätze
im Leistungsbereich 30-50 kW Kälteleistung, eine Mono-Split-Komfortklimaanlage eines „Mar-
kenherstellers“ sowie eine Kühlzelle zur Lebensmittelkühlung. Nachfolgend werden die ent-
sprechend dieser Kriterien ausgewählten Anlagen vorgestellt.
3.3.1 Kaltwassersatz zur Versorgung einer Flächenkühlung
Installiertes System
Für die Vermessung eines Kaltwassersatzes zur Flächenkühlung konnte ein Unternehmen ge-
wonnen werden, welches in einem zweigeschossigen Büroneubau eine Flächenkühlung vorsah.
Da das Gebäude mit einer kontrollierten Lüftungsanlage ausgestattet wurde, kann auch die
Luftfeuchtigkeit reguliert werden. Dadurch wird unter anderem die Kondensatbildung durch
Taupunktunterschreitung an gekühlten Oberflächen vermieden. Dies erlaubt es, auch an
schwül-warmen Tagen hohe Kältelasten zu decken, da die Vorlauftemperatur der Flächenküh-
lung nicht angehoben werden muss. Bei unkonditionierter Lüftung müsste, im Gegensatz zu
dieser Systemkonfiguration, die Vorlauftemperatur der Flächenkühlung angehoben werden, um
eine Taupunktunterschreitung zu vermeiden. Dies resultiert allerdings in einer verminderten
Kühlleistung. Allerdings wird gerade an Tagen mit hoher Luftfeuchtigkeit Kühlung als beson-
ders angenehm empfunden.
In dem betrachteten System wurde ein Kaltwassersatz von Daikin, Typ EUWAB20KAZW1, mit
einer Nennkälteleistung von 46.6 kW verbaut. Der Kaltwassersatz besteht aus zwei identischen,
unabhängigen Kältekreisen. Somit ist es für den Kaltwassersatz möglich, eine grobe Leistungs-
regelung über die Stufen 0-50-100% vorzunehmen. Der Kaltwassersatz ist außerhalb des Ge-
bäudes im Bereich des Firmenparkplatzes aufgestellt. Zur Kälteverteilung, die sich im Keller des
Gebäudes befindet, führt eine ca. 100 m lange Leitung. Im Technikraum im Keller wird die Kälte
über einen Wärmeübertrager auf einen Sekundärkreis übertragen. Dieser Wärmeübertrager ist
über einen kurzen Kreis mit einer hydraulischen Weiche verbunden, die auch als Pufferspeicher
für das gesamte Kältesystem wirkt. Da der Kaltwassersatz sowie die Primärleitung im Freien
sind, wird der Primärkreis mit einer 34%igen Glykolmischung betrieben. Zwischen dem Kalt-
wassersatz und dem Pufferspeicher ist somit ein zusätzlicher Wärmeträgerkreis mit System-
trennung durch einen Wärmetauscher erforderlich. Der Aufbau ist in Abbildung 3.3.1 skizziert.
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Abbildung 3.3.1 Systemskizze Einbindung Kaltwassersatz in Kühlsystem Flächenkühlung
Durch die realisierte Anbindung des Kaltwassersatzes ergeben sich folgende Konsequenzen für
den Betrieb bzw. die Effizienz der Kälteerzeugung.
Verglichen mit den Bedingungen auf einem Prüfstand, bei denen die Kaltwasserpumpe in einen
direkt benachbarten Kaltwasserpufferspeicher fördert, muss die Umwälzpumpe für den unter-
suchten Kaltwassersatz eine erhöhte hydraulische Arbeit leisten. Deshalb macht der Energie-
bedarf der Pumpe einen signifikanten Anteil am gesamten Energieverbrauch aus. Zum einen
muss die Pumpe das Fluid über eine längere Wegstrecke pumpen und anschließend durch ei-
nen druckverlustbehafteten Wärmeübertrager fördern. Zum anderen handelt es sich bei dem
gepumpten Fluid um Glykol, welches verglichen mit Wasser eine erhöhte Viskosität und eine
verringerte Wärmekapazität aufweist. Des Weiteren ist die regelungstechnische Anforderung
des Kaltwassersatzes nicht optimal gelöst. Befindet sich das Gesamtsystem im Kühlmodus, so
wird der Kaltwassersatz angefordert. Da der Kaltwassersatz auf die Temperaturen im primären
Glykolkreislauf regelt, wird die Umwälzpumpe unabhängig vom Ladezustand des Kaltwasser-
pufferspeichers in Betrieb genommen. Dies führt besonders bei schwachen Kühllasten dazu,
dass die Umwälzpumpe eine deutliche längere Laufzeit als die Kompressoren des Kaltwasser-
satzes aufweist und somit unnötigerweise Hilfsenergie durch die Pumpe verbraucht wird.
Ebenso arbeitet der Kaltwassersatz, bedingt durch den Zwischenkreis auf der Fluidseite, mit
niedrigeren Temperaturen als das Kältesystem benötigt. Dies verringert die Effizienz der Kälte-
erzeugung zusätzlich.
Messtechnik
Für die Erfassung der Kälteleistung und elektrischen Leistungsaufnahme wurden im Früh-
sommer 2011 einige Messsensoren installiert. Für die thermische Leistungsbilanzierung wurde
ein magnetisch induktives Volumenstrommessgerät sowie zwei PT-100 Temperatursensoren
im Glykolkreislauf installiert. Um den elektrischen Energiebedarf zu messen, wurde sowohl ein
Leistungsmessgerät für den gesamten Energiebedarf des Kaltwassersatzes verwendet als auch
jeweils ein Leistungsmesser, um die Komponenten Pumpe, Lüfter und einen Verdichter einzeln
zu erfassen. Zusätzlich wurden die Luftfeuchtigkeit und Temperatur sowohl in einem gekühlten
Referenzbüro sowie am Kaltwassersatz erfasst. Dadurch kann die Leistung und Effizienz bei ge-
gebenen Randbedingungen ermittelt werden. Zusätzlich wurden noch zwei Drucksensoren in
Wärmetauscher Primärkreispumpe
Kaltwassersatz Umwälzpumpe
Pufferspeicher
Pufferladepumpe
Lüftungsgerät
Flächenkühlung
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einem der beiden Kältekreisläufe installiert, um die interne Drucklage bei verschiedenen Be-
triebsbedingungen zu ermitteln.
Durch die Installation der Drucksensoren im Kältekreislauf 1 des Kaltwassersatzes entstand ei-
ne geringe Undichtigkeit, die zu einem Kältemittelverlust führte. Da dieser Schwund gering war,
machte er sich erst nach einem längeren Betriebszeitraum durch eine verminderte Kälteleis-
tung und Effizienz bemerkbar. Ebenso sank die Drucklage des Kältekreislaufes bei gleichen Be-
triebsbedingungen ab. Da diese Verminderung in Effizienz und Kälteleistung auf eine nicht
rückwirkungsfreie Messtechnik zurückzuführen war, wurde die Effizienz dieses Kältekreislau-
fes bei der Bewertung nicht berücksichtigt. Für die Auswertung wurden nur die Effizienzwerte
des Kältekreislaufes herangezogen, der nicht durch Messtechnik beeinflusst wurde.
Betriebsergebnisse und Analyse
In den beiden Betriebsjahren 2011 und 2012 wurden Betriebsdaten gesammelt und die Leis-
tung und Effizienz berechnet. Die Ergebnisse sind nachfolgend in Tabelle 3.3.1 dargestellt.
Kältekreis 1 Kältekreis 2
Mo
na
t d
es
Jah
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An
zah
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Ka
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[kWhth] [kWhel] [kWhel] [-] [-] [kWhth] [kWhel] [kWhel] [-] [-]
Jul 11 26 5576 1850 1593 3.01 3.50 2331 684 614 3.41 3.80
Aug 11 31 4756 1974 1602 2.41 2.97 1703 541 448 3.15 3.80
Sep 11 28 2976 1215 970 2.45 3.07 1263 364 299 3.47 4.23
Okt 11 9 462 186 148 2.49 3.13 211 58 48 3.63 4.42
Jul 12 26 3099 1300 1042 2.38 2.97 2582 920 749 2.81 3.45
Aug 12 30 4066 1781 1433 2.28 2.84 3480 1292 1054 2.69 3.30
Sep 12 19 1310 562 449 2.33 2.91 828 303 246 2.73 3.37
Okt 12 5 50 21 17 2.36 3.00 45 16 12 2,87 3.62
Gesamt 174 22295 8889 7254 2.51 3.07 12443 4178 3470 2.98 3.59
Tabelle 3.3.1 Übersicht Energieverbrauch und Effizienz Kaltwassersatz Flächenkühlung
In Tabelle 3.3.1 ist neben der bereitgestellten Kälte auch die bezogene elektrische Arbeit des
Kaltwassersatzes insgesamt und der Primärpumpe dargestellt. Ebenso ist die Effizienz über den
saisonalen EER (sEER) dargestellt. Dabei wird für jeden Monat die erzeugte Kälte durch die be-
zogene elektrische Arbeit dividiert. Im Wert „sEER Kaltwassersatz“ werden als elektrische Ver-
braucher nur Verdichter, Ventilator und Regelung betrachtet, im Wert „sEER inkl. Pumpe“ wird
noch zusätzlich die Pumpe des Primärkreislaufes miteinbezogen. Dadurch wird der energeti-
sche Einfluss der Primärkreispumpe verdeutlicht. Die elektrische Arbeit, die von der Primär-
kreispumpe bei Verdichterstillstand bezogen wird, ist hier nicht ausgewiesen. Diese betrug im
ersten Betriebsjahr 766 kWh und im zweiten Jahr 462 kWh.
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Betrachtet man die Effizienz des Kaltwassersatzes, so zeigt sich eine deutliche Abweichung zwi-
schen Kältekreis 1 und Kältekreis 2 im Jahr 2011. Dies ist durch die Leckage im Kältekreislauf 1,
welche durch die Messtechnik hervorgerufen wurde, zu erklären. Zum Jahreswechsel
2011/2012 wurde die Leckage behoben und Kältemittel im Kältekreislauf 1 nachgefüllt. Da der
Kaltwassersatz mit dem Kältemittel R407C betrieben wird, welches einen Temperaturgleit von
ca. 7 K aufweist, kann davon ausgegangen werden, dass die einzelnen Komponenten des Käl-
temittels sich in unterschiedlicher Konzentration verflüchtigt haben. Durch das Nachfüllen mit
neuem Kältemittel entstand im Kältekreislauf ein Gemisch, welches von R407C abweicht. Die
Schwersieder haben einen zu großen Anteil was für den Betrieb nicht optimal ist. Deshalb er-
reicht der Kältekreislauf 1 im Jahr 2012 ebenfalls einen geringeren Effizienzwert als der Kälte-
kreislauf 2, abzulesen in der Spalte „sEER Kaltwassersatz“.
Vergleicht man die Effizienz des Kältekreislaufes 2 in den beiden Betriebsjahren, so ist eine
deutliche Verschlechterung im zweiten Betriebsjahr festzustellen. Besonders gut ist dies am
Wert „sEER Kaltwassersatz“ zu sehen. Insgesamt war das Jahr 2012 zwar tendenziell wärmer,
wodurch der Kaltwassersatz häufiger mit höheren Rückkühltemperaturen betrieben wurde.
Die Größe der Abweichung in der Effizienz kann hierdurch aber nicht erklärt werden. Ebenso
wurde im Jahr 2012 die Sollvorlauftemperatur des Kaltwassersatzes erhöht, wodurch der Ein-
fluss einer höheren Außentemperatur auf die Anlageneffizienz, teilweise ausgeglichen wird. Die
Ursache für die Verschlechterung der Effizienz konnte nicht zweifelsfrei festgestellt werden.
Mögliche Gründe sind eine Verschmutzung der Wärmetauscher, insbesondere des Kondensa-
tors durch Luftstaub bzw. Ablagerungen oder ein Verlust von Kältemittel. Da der Kältekreis-
lauf 2 nicht mit Druckmesssensoren ausgestattet worden war, wäre ein Kältemittelverlust auf
technische Undichtigkeiten zurückzuführen.
Sollte die Ursache für den Effizienzverlust im Kältekreislauf ein Kältemittelverlust sein, so muss
für die Ökobilanz das Treibhausgaspotenzial des Kältemittels mit berücksichtigt werden. Eine
Abschätzung des Umwelteinflusses einer potenziellen Leckage ergibt folgendes Ergebnis: der
Kaltwassersatz hat eine Füllmenge von 5.9 kg R407C je Kältekreislauf. Der GWP-Wert von
R407C beträgt 1500, d.h. ein Kilogramm Kältemittel ist so klimawirksam wie 1500 kg CO2. Die
elektrische Energie im deutschen Strommix wird mit 562 g CO2-Äquivalent/kWh angesetzt.
[UBA, 2011]. Jedes entwichene kg Kältemittel R407C entspricht ca. 2670 kWh elektrischer
Energie.
Allgemein lässt sich feststellen, dass eine Verringerung der Effizienz bei Kältemaschinen, die
nicht messtechnisch überwacht werden und gleichzeitig großzügig dimensioniert wurden,
schwierig festzustellen ist, da die Kältelast trotzdem gedeckt wird und somit die Kältemaschine
ihren Zweck erfüllt. Durch den Einsatz eines Kältemittels mit hohem Temperaturgleit ist auch
ein Ausgleich von möglichen Kältemittelverlusten nur unter höherem Aufwand möglich, da der
Kältekreis nicht nachgefüllt werden kann. Dieser muss zuerst vollständig evakuiert und an-
schließend komplett neu befüllt werden, um die vorgesehene Kältemittelmischung herzustel-
len.
Bei dem vom ZAE vermessenen Kaltwassersatz wäre die Effizienzeinbuße vermutlich nicht auf-
gefallen, da die Kühllast auch im zweiten Betriebsjahr problemlos gedeckt wurde. Dies liegt
hauptsächlich daran, dass die Leistung des Kaltwassersatzes deutlich über der Kühllast liegt.
Der Kaltwassersatz hat eine Nennkälteleistung von 46 kW, wenn beide Kältekreisläufe zeit-
gleich in Betrieb sind. In den betrachteten zwei Jahren, in denen der Kaltwassersatz über eine
Dauer von insgesamt 1758 h im Einsatz war, waren nur während 36 h beide Kältekreisläufe
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zeitgleich in Betrieb. Dies entspricht einem Volllastanteil von 2 %. In den meisten Zeiträumen
hätte also noch eine Kälteleistungsreserve von über 50 % zur Verfügung gestanden.
Erwartet wurde, dass der Kaltwassersatz bei kleinerer externer Temperaturspreizung effizien-
ter arbeitet. Dies wurde auch beobachtet, allerdings fällt die Steigerung des EER weitaus gerin-
ger aus, als aus dem Rückgang des externen Temperaturhubs geschlossen werden kann. Zudem
sinkt die Kälteleistung ab, wenn ein Mindestverflüssigungsdruck unterschritten wird. Dies soll
anhand von Abbildung 3.3.2 verdeutlicht werden. Das Leistungsverhältnis ist hierbei auf der
sekundären Ordinate angetragen, die restlichen Werte beziehen sich auf die primäre (linke)
Ordinate.
Abbildung 3.3.2 Auswirkung geringer Temperaturhübe auf Kältekreislauf
In Abbildung 3.3.2 ist eine nächtliche Betriebsphase, in der der Kaltwassersatz für mehrere
Stunden durchgehend lief. Die Kaltwasservorlauftemperatur (KW-Vorlauf) steigt zu Beginn des
betrachteten Zeitraums von ~10 °C auf 13 °C an und sinkt langsam wieder auf 10 °C, die Außen-
temperatur sinkt im Betrachtungszeitraumes von ~22 auf 12 °C ab. Der EER-Wert des Kaltwas-
sersatzes steigt von ~3.0 auf ca. 3.5 an. Während also der externe Temperaturhub von 9 K auf
2 K gesunken ist, steigt der EER nur um ca. 20 % an. Hier wirken zwei Effekte. Zum einen ist der
interne, vom Kältekreislauf zu bewältigende Temperaturhub höher als der externe Tempera-
turhub, da die beiden Wärmetauscher Verdampfer und Kondensator technisch bedingt eine
gewisse Grädigkeit aufweisen. Zum anderen wird für die Zirkulation des Kältemittels im Kälte-
kreislauf ein Druckunterschied benötigt, um die Strömung des Kältemittels aufrecht zu erhal-
ten. Ebenso benötigt das Expansionsventil eine Druckdifferenz, um den Verdampfer ausrei-
chend mit Kältemittel zu versorgen. Erreicht den Verdampfer nicht genügend Kältemittel, so
sinkt der Verdampfungsdruck ab und die Kälteleistung geht zurück. Dies ist der Fall vor 2 Uhr.
Kurz nach 2 Uhr halbiert sich die Leistungsaufnahme des Ventilators. Um die Übersichtlichkeit
der Grafik zu bewahren, ist dies nicht im Diagramm dargestellt. Als Reaktion auf die verschlech-
terte Rückkühlung steigt der Kondensatordruck. Da das Expansionsventil nun einen größeren
Vordruck sieht, strömt mehr Kältemittel in den Verdampfer und das Verdampfungsdruckniveau
steigt auslegungsgemäß an. Der erhöhte Verdampfungsdruck führt zu einem größeren geför-
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derten Massenstrom an Kältemittel, wodurch die Kälteleistung ansteigt. Die Verdichterleistung
steigt wegen des erhöhten Massenstroms und Kondensationsdruckes ebenfalls an. Der EER
hingegen fällt geringfügig auf ~3.25 ab.
Anforderungsprofil und Eignung für solare Kühlung
Eine Korrelation von Außentemperatur und Solarstrahlung mit der erzeugten Kälte ist nur par-
tiell zu sehen. Beim Kühlbedarf überlagern sich verschiedene Effekte, weshalb sich keine direk-
te Abhängigkeit herausbildet. So ist die Belegung des Gebäudes je nach Monat und vor allem je
nach Wochentag verschieden, wodurch die inneren Lasten variieren. Zusätzlich wirkt sich die
thermische Gebäudemasse bei Tagen mit einem großen Temperaturgefälle zwischen Tag und
Nacht sehr günstig aus. So wird durch die kontrollierte Belüftung in der Nacht ein Teil der
Wärmelasten abgeführt. Dadurch führen wenige heiße Tage nicht sofort zu einer erhöhten
Kühlleistung, da dies aufgrund von thermischer Gebäudeträgheit nicht nötig ist.
Datum Wochen-
tag Energie-bedarf
Kälte
Ø Außen-temperatur
während des Betriebs
Max. Außen-temperatur
während des Betriebs
Solar-strahlung
Solar-strahlung /
Energie-bedarf
[kWhel] [kWhth] [°C] [°C] [Wh/m²] [1/1000 m²]
23.07.2012 Mo. 15 22 16 23 7542 504
24.07.2012 Di. 73 175 21 30 7095 97
25.07.2012 Mi. 116 278 21 28 5323 46
26.07.2012 Do. 108 260 23 31 6873 64
27.07.2012 Fr. 23 54 25 33 6639 295
28.07.2012 Sa. 2 0 20 25 3187 1609
29.07.2012 So. 52 132 17 22 4500 86
30.07.2012 Mo. 80 188 16 22 5460 68
31.07.2012 Di. 144 341 17 24 5047 35
01.08.2012 Mi. 146 360 21 30 7014 48
02.08.2012 Do. 175 396 22 27 5303 30
03.08.2012 Fr. 209 481 19 25 4789 23
04.08.2012 Sa. 148 374 19 26 5023 34
05.08.2012 So. 80 212 21 27 4878 61
06.08.2012 Mo. 118 289 17 20 1496 13
07.08.2012 Di. 138 328 16 22 4530 33
08.08.2012 Mi. 146 349 15 20 4707 32
09.08.2012 Do. 165 412 16 25 4993 30
10.08.2012 Fr. 144 373 17 23 5282 37
11.08.2012 Sa. 89 199 15 21 5263 59
12.08.2012 So. 103 251 15 24 6793 66
Tabelle 3.3.2 Energiebedarf, Kältebedarf und Solarstrahlung von 3 Wochen
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In Tabelle 3.3.2 ist die erzeugte Kälte, der elektrische Energiebedarf des Kaltwassersatzes in-
klusive der primären Kaltwasserpumpe sowie Außentemperatur und Solarstrahlung darge-
stellt. Zudem ist das Verhältnis von Solarstrahlung zu elektrischem Energiebedarf abgebildet.
Das Verhältnis von Solarstrahlung zu Energiebedarf schwankt in den abgebildeten Wochen
sehr stark zwischen 13 und 1609. Lässt man einzelne Ausreiser außer Acht, so liegt der Wert
zumeist zwischen 30 und 60, d.h. er variiert um den Faktor 2. Zwischen Kältebedarf und Solar-
strahlung ist keine direkte Abhängigkeit zu erkennen. Eine solar elektrische Klimatisierung
könnte in dieser Anwendung nur mit Netzunterstützung arbeiten. Besonders an Tagen mit ho-
her Solarstrahlung und geringem Klimatisierungsbedarf müsste das Stromnetz elektrische Leis-
tung von der Photovoltaik abnehmen und würde so durch die Rückspeisung belastet. Solche Si-
tuationen können besonders an Wochenenden oder Feiertagen auftreten, wenn das Büro nicht
genutzt wird und gleichzeitig eine hohe Solarstrahlung zu verzeichnen ist.
Eine solarthermische Klimatisierung wäre auf Speicher bzw. Notkühleinrichtungen und ein Käl-
tebackup angewiesen, da für einen autarken Betrieb ebenfalls eine hohe Korrelation von Solar-
strahlung und Kältebedarf nötig ist.
Fazit
Der unbeeinflusste Kältekreislauf 2 des Kaltwassersatz arbeitete im ersten Jahr mit Effizienz-
werten (Monatsmittelwert des EER) von 3.8-4.4, im zweiten Betriebsjahr fällt die Effizienz auf
Werte von ca. 3.3 – 3.6. Über den Zeitraum von zwei Jahren erreicht dieser Kältekreislauf einen
gesamten Effizienzwert von 3.6. Die angegebene Effizienz berücksichtigt die Kälteleistung am
Kaltwassersatz bezogen auf den Energieverbrauch des Kaltwassersatzes außer der Kaltwasser-
pumpe. Wird die Kaltwasserpumpe mit einberechnet, so fällt die Effizienz von 3.6 auf 3.0 ab.
Während der reine Kälteerzeuger günstige Leistungszahlen aufweist, wird die gesamte Effizi-
enz durch die Systemauslegung gemindert. Da die Effizienzminderung durch das System nicht
direkt auf andere Standorte oder Anwendungen übertragen werden kann, dient als Input für
die Simulation nur die Effizienz des Kälteerzeugers. Das Optimierungspotenzial des Systems
wird aber zur Kenntnis genommen, da der schädliche Einfluss einer unzulänglichen Systemein-
bindung auch häufig bei thermisch getriebenen Kälteerzeugern beobachtet wird.
3.3.2 Kaltwassersatz zur Versorgung einer Umluftkühlung
Installiertes System
Der zu vermessende Kaltwassersatz, der eine Umluftkühlung bedienen soll, unterscheidet sich
vom Kaltwassersatz der Flächenkühlung hauptsächlich durch sein niedrigeres Temperaturni-
veau im Kaltwasserkreis. Um einen solchen Kaltwassersatz zu vermessen, wurde ein Betrieb
gewonnen, dessen Produktionshalle zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen gekühlt werden
soll. Zusätzlich werden noch einige Büroräume gekühlt, in der Produktionshalle fällt jedoch die
Hauptkühllast an. Diese Kühllast resultiert zum größten Teil aus der Abwärme der eingesetzten
Maschinen und ist nur geringfügig von der Solarstrahlung und der Umgebungstemperatur ab-
hängig. Da die Produktion unter Reinraumbedingungen abläuft, erfolgt das gesamte Luftma-
nagement über eine Lüftung mit speziellen Filtern. Bei niedrigen Außentemperaturen wird die
Kälteleistung teilweise durch die zugeführte Frischluft bereitgestellt. Die Büroräume können in
dieser Zeit über Fensterlüftung temperiert werden, da sie nicht der Reinraumanforderung un-
terliegen. Der Kaltwassersatz wurde im Zuge eines Lüftungsumbaus neu installiert.
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Bei der betrachteten Kältemaschine handelt es sich um ein Aggregat von Airwell vom Typ AQH
60 ELN mit einer Nennkälteleistung von 54 kW. Der Kaltwassersatz besitzt einen Kältekreislauf
mit zwei Verdichtern, die sich in ihrer Leistungsgröße geringfügig voneinander unterscheiden.
Somit kann eine Leistungsregelung in den Stufen 0-44-56-100 % realisiert werden. Der Kalt-
wassersatz ist im Außenbereich vor dem Lagerraum aufgestellt. Aus Frostschutzgründen ist
deshalb eine Glykolmischung im Kälteträgerkreislauf nötig. Die prinzipielle Verschaltung ist in
Abbildung 3.3.3 dargestellt.
Abbildung 3.3.3 Systemskizze Einbindung Kaltwassersatz in Kühlsystem Umluftkühlung
Im Gegensatz zum Kaltwassersatz der Flächenkühlung erfolgt bei dieser Anlage keine System-
trennung, d.h. die Kälte wird bis zum Verbraucher über eine Glykolmischung transportiert. So-
mit sind auch keine weiteren Umwälzpumpen mehr nötig und die im Kaltwassersatz verbaute
Pumpe übernimmt die Versorgung aller Verbraucher. Der Leistungsbedarf ergibt sich somit aus
einer typischen lokalen Einsatzsituation und ist somit gegenüber Prüfstandwerten deutlich er-
höht. Der Verzicht auf einen Medienwechsel ist zwar einerseits günstig, da das erzeugte Tempe-
raturniveau nicht unter dem benötigten liegt. Andererseits benötigt die Glykolmischung, vergli-
chen mit Wasser, mehr hydraulische Pumparbeit, da die Viskosität höher und die Wärmekapa-
zität geringer ist. Sobald der Kaltwassersatz eingeschaltet wird, läuft die Umwälzpumpe per-
manent, um alle potenziellen Verbraucher bedienen zu können.
Messtechnik
Messtechnisch wurde der Kaltwassersatz ähnlich ausgerüstet wie der Kaltwassersatz der Flä-
chenkühlung. Für die thermische Leistungsermittlung wurde ebenfalls ein magnetisch indukti-
ves Durchflussmessgerät sowie je ein PT-100 Sensor in Vor- und Rücklauf der Kaltwasserlei-
tung integriert. Von den elektrischen Verbrauchern wurden der primäre Verdichter, der Venti-
lator, die Umwälzpumpe sowie der gesamte Anschluss des Kaltwassersatzes erfasst. Zudem
wurden je ein kombinierter Feuchte- und Temperatursensor in der Produktionshalle und im
Außenbereich des Kaltwassersatzes montiert sowie jeweils ein Drucksensor im Hoch- und Nie-
derdruckteil des Kältekreislaufes.
Betriebsergebnisse und Analyse
In den beiden Betriebsjahren 2011 und 2012 wurden Betriebsdaten gesammelt und die Leis-
tung und Effizienz bilanziert. Im Jahr 2011 wurden die Daten ab Frühsommer aufgezeichnet,
vom Jahr 2012 liegen die Daten vollständig vor. Die Daten von 2012 sind in Tabelle 3.3.3 darge-
stellt.
Umwälzpumpe
Kaltwassersatz
Büro
Produktion
Kaltwasserkassette
Lüftungsanlage
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Monat Erzeugte
Kälte
Energie-bedarf Gesamt
Energie-bedarf
Kältebetrieb
Energie-bedarf Pumpe
sEER Gesamt
sEER Kaltwasser-
satz
[kWhth] [kWhel] [kWhel] [kWhel] [-] [-]
Januar 19 31 18 14 0.6 1.1
Februar 74 6 6 5 11.7 41.1
März 203 86 75 36 2.4 4.1
April 214 82 77 35 2.6 4.5
Mai 1063 423 392 183 2.5 4.4
Juni 1873 687 643 261 2.7 4.4
Juli 2915 961 936 325 3.0 4.6
August 1782 618 604 232 2.9 4.6
September 2760 925 909 343 3.0 4.7
Oktober 856 337 327 119 2.5 3.9
November 64 21 20 9 3.0 5.0
Dezember 33 67 61 7 0.5 0.6
Gesamt 11857 4244 4068 1569 2.8 4.4
Tabelle 3.3.3 Übersicht Energieverbrauch und Effizienz Kaltwassersatz zur Versorgung einer Um-luftkühlung
In Tabelle 3.3.3 ist die erzeugte Kälte, die umgesetzte Energie und die Effizienz für die einzelnen
Betriebsmonate dargestellt. Der Effizienzwert sEER des Kaltwassersatzes (Monatswert) wird
aus der umgesetzten Kälte und dem Energiebedarf des Kaltwassersatzes (ohne die Kaltwasser-
pumpe) gebildet. Im sEER Gesamt wird der gesamte Stromverbrauch inklusive der Kaltwasse-
rumwälzpumpe bilanziert. Der Wert Energiebedarf Kältebetrieb entspricht dem gesamten
Energiebedarf abzüglich der Pumparbeit bei Verdichterstillstand.
Die Effizienz im Februar erscheint besonders hoch, allerdings tritt hierbei vornehmlich freie
Kühlung auf. Dadurch wird mit geringem Aufwand eine hohe Kältemenge erzeugt, wodurch die
Effizienz einen hohen Wert erreicht.
Der Kaltwassersatz stellt eine deutlich höhere Nennleistung zur Verfügung als Kältelast anlag.
Die höchste gemessene Kältelast betrug 15 kW, typischerweise betrug die Kältelast bei Betrieb
des Kaltwassersatzes in etwa 10 kW. Somit stellte auch die Leistungsstufe 44 % des Kaltwass-
ersatzes mehr Kälteleistung bereit als vom Gebäudesystem abgenommen wurde. Deshalb zeigte
der Kaltwassersatz ein ausgeprägtes Taktverhalten. Nach kurzer Betriebszeit von ca. 3-5 Minu-
ten pausierte der Kältekreis. Das abgekühlte Wasser des Kaltwassersatzes zirkulierte weiterhin
durch das System, erwärmte sich dabei und wurde erst wieder nach Überschreiten eines Soll-
wertes zuzüglich eines Hysteresewertes erneut abgekühlt.
Es war vom Betreiber der Anlage beim Kauf des Kaltwassersatzes gewünscht, diesen größer zu
dimensionieren als er für die realisierte Kühlanwendung benötigt wurde, um für spätere Erwei-
terungen der gekühlten Flächen Reserveleistung vorzuhalten.
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Die Effizienz des Kaltwassersatzes erreichte über das gesamte Jahr mit einem sEER von 4.4 eine
hohe Effizienz. Dies ist zum Teil auch durch die große Dimensionierung zu erklären. Da stets
nur ein Verdichter im Kältekreislauf arbeitet, ist die spezifische Wärmetauscherfläche sehr
groß. Dadurch können verhältnismäßig kleine Temperaturspreizungen an den Wärmetau-
schern realisiert werden. Zudem gleicht sich die Temperatur des Kondensators durch das Takt-
verhalten immer wieder der Außentemperatur an und liegt somit im Durchschnitt niedriger als
bei einem ununterbrochenen Betrieb mit gleichem Leistungsumsatz. Während die großzügige
Dimensionierung einen positiven Effekt auf die Effizienz des Kältekreislaufs hat, ist die Effizienz
des Gesamtsystems hingegen geringer. Dies liegt daran, dass die Umwälzpumpe einen hohen
Energiebedarf hat und permanent in Betrieb ist, wenn der Kaltwassersatz eingeschaltet wird.
Das Gesamtsystem erreicht über das Betriebsjahr betrachtet eine Effizienz von 2.8. Der Be-
triebszeitraum des Kaltwassersatzes wird manuell festgelegt, indem der Kaltwassersatz bei -
subjektiv wahrgenommenem - Bedarf eingeschaltet, und (spätestens) bei Betriebsende wieder
manuell ausgeschaltet wird.
In Abbildung 3.3.4 sind gemessene EER-Werte bei verschiedenen Außentemperaturen aufge-
tragen. Es wurden dabei nur Betriebszeiträume aufgezeichnet, in denen der Kältekreislauf für
mindestens drei Minuten in Betrieb war und die externen Temperaturen um weniger als 1 K
schwankten. Verglichen mit dem sEER des Kaltwassersatzes über das gesamte Jahr, der bei 4.4
lag, erscheinen die Messwerte höher. Die Messwerte bilden eine Punktewolke, trotzdem kann
ein leichter Trend zu höheren EER-Werten bei niedrigen Außentemperaturen erkannt werden.
Bei ca. 20 °C Außentemperatur scheint eine Unstetigkeit in den Messdaten vorzuliegen, da bei
Temperaturen die geringfügig höher als 20 °C sind tendenziell höhere EER-Werte erreicht wer-
den als knapp unter 20 °C. Diese Unstetigkeit ist dem Mindestverflüssigungsdruck geschuldet.
Um die Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckteil aufrecht zu erhalten, wird der Ven-
tilator des Kondensators bei Temperaturen unter 20 °C nur intermittierend betrieben. Über
20 °C hingegen läuft er kontinuierlich. Dies führt dazu, dass der Verflüssigungsdruck bei Tem-
peraturen über 20 °C teilweise geringer ist als unter 20 °C. Somit verringert sich die benötigte
Verdichterarbeit und die Effizienz steigt an.
Abbildung 3.3.4 EER-Werte vom Kaltwassersatz über Außentemperatur
Die Umwälzpumpe benötigte im Jahr 2012 insgesamt 1569 kWh Energie, was ca. 37 % der ins-
gesamt umgesetzten Energie entspricht. Der hohe Anteil erklärt den deutlichen Unterschied der
monatlichen Effizienzwerte ‚sEER Gesamt‘ und ‚sEER Kaltwassersatz‘. Ein Teil der eingesetzten
Energie wird als Verlustwärme am Asynchronelektromotor der Umwälzpumpe frei und an die
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Umgebung abgegeben. Der Wirkungsgrad von Asynchronmotoren liegt üblicherweise zwischen
80-85 %, d.h. über 80 % der umgesetzten Elektroenergie werden vom Elektromotor in die Um-
wälzpumpe eingekoppelt. Diese Energie wird von der Umwälzpumpe in hydraulische Arbeit
und Verlustwärme umgesetzt. Die hydraulische Arbeit, die für den Fluidtransport benötigt
wird, wird an den Druckverlusten des Kaltwassersystems ebenfalls vollständig in Wärme um-
gesetzt. Somit werden also insgesamt ca. 80-85 % der Elektroenergie der Umwälzpumpe als
Wärme in den Kaltwasserkreislauf eingebracht und wirken wie eine Kühllast. Diese Kälte muss
vom Kaltwassersatz zusätzlich zur Gebäudelast erzeugt werden.
Da die eingesetzte Umwälzpumpe mit der Größe des Kaltwassersatzes skaliert, ergibt sich für
die betrachtete Anwendung ein energetisch ungünstiges Bild. Um die gewünschte Temperatur-
spreizung zwischen Vor- und Rücklauf im Kaltwasser einstellen zu können, musste der umge-
wälzte Volumenstrom angepasst werden. Um möglichst viele Anwendungsfälle mit einer Pum-
pe bedienen zu können, ist die mögliche Druckerhöhung der Umwälzpumpe für den maximalen
Volumenstrom, d.h. bei Einsatz des Kaltwassersatzes unter Volllast, sehr groß. Um den Volu-
menstrom zu reduzieren, wurde der hydraulische Widerstand in der Verrohrung künstlich er-
höht. Somit wird ein großer Teil der erzeugten hydraulischen Arbeit in Wärme umgesetzt.
Da kleinere Kaltwassersätze mit leistungsschwächeren Umwälzpumpen ausgeliefert werden,
hätte die Auswahl eines kleineren Kaltwassersatzes auch einen geringeren Umwälzpumpen-
energieaufwand zur Folge gehabt. Dadurch wäre zum einen die benötigte Kältemenge geringer
ausgefallen, zum anderen wäre auch die Effizienz des Gesamtsystems wegen der verringerten
Neigung zum Taktbetrieb erhöht worden.
Da der Kaltwassersatz auch an Tagen mit niedrigen Außentemperaturen Kälte erzeugte, wird
nachfolgend die Verteilung von Kälteerzeugung und Energieumsatz nach Außentemperatur ge-
gliedert dargestellt. Der Energieumsatz bezieht sich auf die Energie des Kaltwassersatzes ohne
die Umwälzpumpe.
Abbildung 3.3.5 Verteilung der erzeugten Kälte (links) und des gesamten Energiebedarfs (rechts) je-
weils nach Außentemperatur
In Abbildung 3.3.5 ist die bereitgestellte Kälte und der dazugehörige Energiebedarf nach Au-
ßentemperaturbereichen gestaffelt dargestellt. Die prozentual umgesetzte Energiemenge ent-
spricht ungefähr auch dem erzeugten Kälteanteil. Ein deutlicher Einfluss der niedrigen Außen-
temperaturen auf die Effizienz der Kälteerzeugung ist nicht zu sehen. Des Weiteren ist ersicht-
lich, dass ca. 60 % der erzeugten Kälte unter 20 °C Außentemperatur und ca. 30 % der erzeug-
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ten Kälte sogar unter 15 °C bereitgestellt werden. Da die Solltemperatur im Produktionsraum
bei ca. 20 °C liegt, könnte durch eine erhöhte Frischluftmenge in der Lüftung ein Anteil von bis
zu 60 % an der Kälteerzeugung und somit auch Elektroenergie eingespart werden.
Anforderungsprofil und Eignung für solare Kühlung
Da das Unternehmen, bei dem der Kaltwassersatz vermessen wurde, bereits seit einigen Jahren
eine PV-Anlage betreibt, deren Einspeisedaten zur Verfügung standen, wurden die Messdaten
auch auf eine Korrelation zwischen PV-Ertrag und Leistungsbezug des Kaltwassersatzes unter-
sucht. Dies ist besonders interessant, da das Unternehmen die Leistung seines bestehenden
Stromanschlusses wegen des neuen Kaltwassersatzes unter hohem Kostenaufwand verstärken
lassen musste.
Die Peak-Leistung der PV-Anlage (50 kWp) liegt weit über der maximalen elektrischen Leistung
des Kaltwassersatzes (31 kW). Die tatsächlich benötigte elektrische Energie ist aufgrund des
permanenten Teillastbetriebs nochmals geringer, als die elektrische Nennleistung erwarten
lässt. Deshalb wird als Bewertungsgröße für den Einsatz einer solarelektrischen Kühlung das
Verhältnis von Solarertrag und benötigter Antriebsenergie gebildet.
Datum Energie-bedarf
Kälte Laufzeit Pumpe
Ø Kälte-last
Ø Außen-temperatur
während des Betriebs
Max. Außen-temperatur
während des Betriebs
PV-Ertrag
PV-Ertrag zu KWS
Aufwand
[kWhel] [kWhth] [h] [kW] [°C] [°C] [kWhel] [-]
18.06.2012 50 118 9.9 12.0 29 33 313 6.3
30.07.2012 49 158 11.0 14.4 18 22 138 2.8
31.07.2012 52 161 10.9 14.7 21.5 25 276 5.3
06.08.2012 75 225 16.9 13.3 21 26 141 1.9
07.08.2012 70 212 16.8 12.6 21 24.5 206 2.9
08.08.2012 69 207 16.7 12.4 20 22 263 3.8
09.08.2012 55 156 14.4 10.9 20 23 240 4.4
10.08.2012 56 155 15.0 10.4 20 23 191 3.4
03.09.2012 37 108 9.4 11.5 17 19 69 1.9
04.09.2012 40 122 9.5 12.8 18.5 21 75 1.9
05.09.2012 38 110 9.6 11.5 19 22 119 3.2
06.09.2012 66 202 16.1 12.6 16 17.5 47 0.7
07.09.2012 37 107 9.5 11.3 17 22 245 6.7
10.09.2012 65 180 15.9 11.3 22 26 221 3.4
11.09.2012 72 214 16.0 13.4 22.5 27 210 2.9
12.09.2012 73 239 16.0 15.0 11.5 15.5 28 0.4
13.09.2012 45 143 10.1 14.2 10 11.5 33 0.7
14.09.2012 42 127 9.9 12.9 13 16 218 5.2
Tabelle 3.3.4 Kältelast und Solarertrag bei verschiedenen Außentemperaturen
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In Tabelle 3.3.4 sind unter anderem die bereitgestellte Kälte, die durchschnittliche Kältelast, die
Außentemperatur sowie der Solarertrag und das Verhältnis von Solarertrag zu Energie für Käl-
teerzeugung dargestellt. Dass diese Werte stark variieren, zeigt, dass keine Korrelation zwi-
schen Solarertrag, welcher proportional zur Solarstrahlung ist, und benötigter Kälteleistung be-
steht.
Betrachtet man beispielsweise den 13.09.2012 und 14.09.2012, so haben der Kältebedarf und
die Außentemperaturen an beiden Tagen vergleichbare Werte. Der Solarertrag unterscheidet
sich hingegen deutlich. Ein ähnliches Verhalten ist auch am 30.07. und 31.07.2012 zu beobach-
ten: Erzeugte Kälte, Kältelast und Außentemperaturen sind vergleichbar, der Solarertrag vari-
iert aber deutlich.
Des Weiteren ist auch kein Zusammenhang zwischen Außentemperatur und Kältebedarf zu
verzeichnen. Dies sieht man beispielsweise beim Vergleich von 06.08.2012 und 12.09.2012. An
beiden Tagen wird bei gleicher Betriebszeit eine ähnliche Menge Kälte umgesetzt, die Tempera-
turen unterscheiden sich aber deutlich. Dies spricht für einen dominanten Anteil der inneren
Lasten am gesamten Kühlbedarf und einen geringen Einfluss der Umgebungsbedingungen auf
die Kühlung.
Die Messwerte zeigen, dass der Kältebedarf weder signifikant von der Solarstrahlung noch der
Außentemperatur sondern von inneren Lasten abhängt. Der Verzicht auf eine Netzverstärkung
wäre in diesem speziellen Fall jedoch möglich gewesen, da die PV-Anlage eine höhere Peakleis-
tung hat als der Kaltwassersatz und somit auch bei schlechter Korrelation zumeist mehr Solar-
ertrag liefert als der Kaltwassersatz benötigt. Prinzipiell wäre die Koppelung von PV und Käl-
teerzeugung bei dieser betrachteten Anwendung aber nicht sinnvoll, da eine PV Anlage, deren
Leistungsgröße auf die Kälteanlage dimensioniert ist, nur einen geringen Teil der Kühlanforde-
rung abdecken könnte.
Fazit
Ebenso wie beim Kaltwassersatz der Flächenkühlung erreicht der reine Kälteerzeuger über ein
gesamtes Betriebsjahr eine gute Effizienz mit einem sEER KWS von 4.4. Bezieht man die Um-
wälzpumpe mit in die Betrachtung ein, so erscheint die erreichte Effizienz deutlich schlechter
und die Gesamteffizienz des Systems erreicht nur noch einen sEER Gesamt von 2.8. Ein direkter
Vergleich mit dem Kaltwassersatz der Flächenkühlung kann nicht gezogen werden, da die Um-
wälzpumpe in diesem Fall auch die Kälteverteilung mit übernimmt. Allerdings liegt der Ver-
brauch der Kaltwasserpumpe bei 37 % und somit annähernd in der gleichen Größenordnung
wie der des gesamten restlichen Kaltwassersatzes einschließlich Verdichter. Die Nennkälteleis-
tung des Kaltwassersatzes ist in etwa um den Faktor 4 höher als die höchste Kältelast, was sich
in einer hohen Taktrate des Kaltwassersatzes sowie dem erhöhten Anteil der Pumpenergie am
gesamten Energieverbrauch äußert. Die verbaute Kälteleistung scheint im momentanen Aus-
bauzustand der Kälteverteilung als deutlich überdimensioniert. Während der Kälteerzeuger ei-
ne gute Performance aufweist, bietet das Gesamtsystem noch Optimierungspotenzial.
Da in dieser Anwendung die inneren Lasten und nicht die Solarstrahlung den Kühlbedarf be-
stimmen, erscheint eine solare Kühlung in diesem Anwendungsfall nicht günstig.
Der größte Teil der Kälte wird für die Klimatisierung der Produktion benötigt, deren Solltempe-
ratur bei 20 °C liegt. Da ca. 60 % der umgesetzten Kälte bei Außentemperaturen unter 20 °C er-
zeugt wird, könnte ein erhöhter Frischluftanteil in der Lüftungsanlage den gesamten Energie-
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bedarf deutlich verringern. Ein großes Optimierungspotenzial liegt also, wie auch bei dem be-
trachteten Kaltwassersatz für die Flächenkühlung, im Gesamtsystem.
3.3.3 Mono-Split-Gerät „Markenanbieter“
Installiertes System
Für das zu vermessende System „Mono-Split-Gerät eines Markenanbieters“ wurde dem ZAE
Bayern eine Gerätekombination von der Daikin Niederlassung München zur Verfügung gestellt.
Damit wurde ein Büroraum im Institutsgebäude des ZAE Bayerns ausgestattet. Durch die direk-
te Installation am Forschungsinstitut ergaben sich einige Vorteile. Zum einen war es schwierig,
ein geeignetes Messobjekt im Feld zu akquirieren, da solche Geräte häufig von Privatpersonen
genutzt werden. Zudem war für die Vermessung ein Eingriff in den Kältekreislauf notwendig.
Zum anderen wurde der Büroraum, der mit dem Mono-Split-Gerät ausgerüstet wurde, zuvor
von einem Deckensegel gekühlt. Das Deckensegel erhielt seine Kälte zum Teil von einer solar-
thermisch betriebenen Absorptionskältemaschine. Somit konnte auch das subjektive Nutzer-
empfinden bezüglich Kühlleistung und Komfort zwischen beiden Systemen verglichen werden.
Um das benötigte Gerät auswählen zu können, wurde eine Kühllastberechnung nach VDI 2078
angestellt. Dabei wurde eine maximale Kühllast von knapp 5 kW berechnet. Daraufhin wurde
eine Gerätekombination mit einem Inverter geregelten Außengerät vom Typ RKS50J und einem
Innengerät für Kanaleinbauten des Typs FDKS50C gewählt. Diese Gerätekombination hat eine
Nennkälteleistung von 5 kW. Das Innengerät, welches eigentlich für den Einbau in Lüftungska-
näle gedacht ist, wurde auf Wunsch der Nutzer gewählt. Um die klimatisierte Luft ohne Zuger-
scheinung zu verteilen, wurden am Auslass des Innengerätes drei Luftverteilschläuche ange-
schlossen. Diese Schläuche wirken ähnlich wie Wasserschläuche für Tröpfchenbewässerung
und verteilen durch ihren hohen Ausström-Druckverlust die zugeführte Luft sehr gleichmäßig
über ihre gesamte Länge.
Der klimatisierte Büroraum befindet sich im zweiten und somit höchsten Geschoss des Gebäu-
des. Das Außengerät der Klimaanlage wurde über dem Innengerät auf dem Flachdach des Ge-
bäudes installiert. Die Kältemittelleitung wurde durch die Außenwand geführt. Die Leitungs-
länge von Druck- und Sauggasleitung beträgt in etwa jeweils vier Meter.
Abbildung 3.3.6 zeigt das montierte Innengerät am ZAE Bayern. Das Gerät ist auf einem Träger-
gestell montiert und hängt unterhalb der Kühldecke. Die Kühldecke ist während der Kühlperio-
de abgeschaltet, so dass die gesamte Kühllast von der Mono-Split-Klimaanlage gedeckt werden
muss. Am Auslass des Innengeräts ist eine Verblechung installiert, welche die ausströmende
Luft in die drei Luftschläuche leitet. Dadurch strömt die gesamte Luft sehr gleichmäßig über die
gesamte Raumlänge aus der Luftverteilung. Nach der subjektiven Einschätzung der Nutzer
wurde ein behagliches Raumklima hergestellt; Zugerscheinungen wurden nicht wahrgenom-
men.
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Abbildung 3.3.6 Innengerät mit Luftschläuchen der Mono-Split-Klimaanlage Typ Markengerät
Messtechnik
Die thermische Leistungsbilanzierung wird im Kältekreislauf vorgenommen. Dazu wurden die
Saug- und Druckleitung mit jeweils einem Druck- und einem Temperatursensor ausgestattet.
Die Temperatursensoren sind im Kältekreislauf eingelötet und werden so direkt vom Kältemit-
tel umströmt. Die Messstellen wurden so gewählt, dass zum einen die Enthalpie des Kältemit-
tels nach dem Verdampfer und zum anderen nach dem Kondensator ermittelt werden kann. Zu-
sätzlich ist ein Coriolis-Massendurchfluss-Messgerät in der Hochdruckleitung zwischen Kon-
densator und Expansionsventil verbaut. Über die Enthalpiedifferenz und den Massenstrom
kann so die thermische Leistung bestimmt werden. Zusätzlich wird der elektrische Energiebe-
zug der gesamten Klimaanlage gemessen. Eine Aufteilung des Energiebedarfs nach Verdichter
und Ventilatoren wird nicht vorgenommen. Des Weiteren werden noch Temperatur- und Luft-
feuchte des klimatisierten Raumes sowie der Umgebungsluft aufgezeichnet. Der Messaufbau ist
in Abbildung 3.3.7 skizziert.
Abbildung 3.3.7 Schema Messtechnikaufbau direktverdampfendes System
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Betriebsergebnisse und Analyse
Das Mono-Split-Klimagerät ging erst im Jahr 2012 in Betrieb, somit liegen die Messdaten nur
für dieses Betriebsjahr ab dem 25.05.2012 vor und sind in Tabelle 3.3.5 abgebildet.
Monat Erzeugte
Kälte Energie-bedarf
Ø Verdichter- starts pro Tag
sEER
[kWh] [kWh] [-] [-]
Mai 27 6 0.2 4.5
Juni 500 116 4.3 4.3
Juli 298 72 3.5 4.2
August 283 68 1.8 4.1
September 47 18 0.2 2.6
Oktober 0 9 0.0 0.0
November 1 14 0.0 0.1
Dezember 0 18 0.0 0.0
Gesamt 1157 321 0.8 3.6
Tabelle 3.3.5 Energiebilanz des Mono-Split-Gerätes Markenanbieter
In den Betriebszeiten von Juni bis August wird die meiste Energie umgesetzt, der dabei erreich-
te monatliche sEER liegt konstant über 4. Der sEER über das gesamte Jahr liegt mit 3.6 deutlich
niedriger. Dies liegt vor allem daran, dass im Herbst und Winter Energie umgesetzt wird, ohne
dass Kälte erzeugt wird. Der Anteil der elektrischen Energie der während des Betriebs der Käl-
temaschine umgesetzt wird, beträgt ca. 258 kWh, 30 kWh werden im Standby-Betrieb benötigt
und ca. 34 kWh für die Ölsumpfheizung. Die Ölsumpfheizung springt bei Temperaturen unter
10 °C an, um Betriebsfähigkeit des Verdichters jederzeit zu gewährleisten. Da es sich bei dieser
Installation um eine reine Kühlanwendung handelt, hätte die Kälteanlage nach der Kühlperiode
auch vollständig vom Stromnetz getrennt werden können. Allerdings wurde dies bewusst ver-
mieden, um den Energiebedarf im Stillstand bei niedrigen Temperaturen ebenfalls mit zu erfas-
sen. Der sEER des reinen Kälteanlagenbetriebs liegt somit bei 4.48. Wäre die Klimaanlage Ende
September abgeschaltet worden, so läge der sEER (inklusive der Standby-Energie) bei 4.18.
Die durchschnittlichen Verdichterstarts pro Tag sind relativ gering und zeigen den Vorteil der
Inverter geregelten Kältemaschine. An durchgängig warmen Sommertagen wird das Kälteag-
gregat häufig nur einmal eingeschaltet und läuft dann geregelt bis zum Büroschluss durch.
Insgesamt ist der Energiebedarf tendenziell als niedrig anzusehen, was zu einem großen Teil
daran liegt, dass die Nutzer selbst über den Einsatz der Klimaanlage entschieden und die Soll-
temperatur auf einen relativ hohen Wert von 25 °C einstellten. Bei Außentemperaturen unter
25 °C wurde zumeist über Fensterlüftung gekühlt, weshalb die Anlage nicht häufig in Betrieb
war. Somit ergeben sich für die Messdaten zwei unterschiedliche Effekte. Zum einen findet
kaum Betrieb unter 25 °C Außentemperatur statt, d.h. die Teillastpunkte mit besonders hoher
Effizienz werden kaum angefahren. Zum anderen profitiert die Maschine von der hohen Soll-
temperatur, wodurch der nötige Temperaturhub geringer ausfällt.
Nachfolgend ist ein Messtag mit Dauerbetrieb der Klimaanlage dargestellt. Bei diesem Tag han-
delt es sich um einen Tag ohne Bürobetrieb, d.h. es gibt keine inneren Lasten. Die Klimaanlage
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war nur für Versuchszwecke in Betrieb, deshalb wurde auch die Solltemperatur etwas niedriger
gestellt als ansonsten von den Nutzern gewünscht.
Abbildung 3.3.8 zeigt den tageszeitlichen Verlauf von Kälteleistung, elektrischer Leistungsauf-
nahme, EER, Raumtemperatur und Außentemperatur. Während die Kälteleistung und Raum-
temperatur annähernd konstant bleiben, steigt die Außentemperatur bis zum Nachmittag um
ca. 15 K an und fällt wieder um ca. 5 K ab. Der Leistungsbezug erhöht sich mit steigender Au-
ßentemperatur durch den erhöhten Temperaturhub. Die Effizienz, ausgedrückt durch den Wert
EER, fällt mit steigendem Leistungsbezug ab, da die Kälteleistung ja konstant bleibt. Während
der EER morgens Werte über 8-9 erreicht, fällt er während der Nachmittagsstunden auf Werte
zwischen 4-5 ab. Diese Werte sind aber immer noch sehr günstig, insbesondere da die Außen-
temperatur 30 °C deutlich übersteigt. Allerdings wird die Klimaanlage auch nur in ihrer
kleinstmöglichen Teillaststufe von ca. 2 kW (~40% der Nennlast) betrieben, wodurch sich spe-
zifisch große Wärmetauscherflächen ergeben.
Abbildung 3.3.8 Tagesverlauf EER und Leistungsaufnahme eines leistungsgeregeltes Mono-Split-Geräts
im Dauerbetrieb
Der übliche Betrieb während der Büronutzungszeit ist beispielhaft in Abbildung 3.3.9 darge-
stellt.
Abbildung 3.3.9 Tagesverlauf EER und Leistungsaufnahme eines leistungsgeregeltes Mono-Split-Geräts
im Normalbetrieb
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Die Abbildung 3.3.9 zeigt wie Abbildung 3.3.8 den Verlauf von elektrischer und thermischer
Leistung, die Effizienz und die Lufttemperatur im Raum und der Umgebung. Allerdings unter-
scheiden sich die Verläufe der einzelnen Messwerte vom Konstantbetrieb. Die Raumlufttempe-
ratur liegt bereits am Morgen über 25 °C und steigt bis zum Mittag auf ca. 27 °C an. Dann wird
die Klimaanlage manuell gestartet und die Raumlufttemperatur wieder auf etwa 25 °C abge-
kühlt. Der Sollwert der Klimaanlage liegt also deutlich höher als er beim Konstantbetrieb ge-
wählt wurde. Da zu Beginn des Klimaanlagenbetriebs die Raumtemperatur deutlich zu hoch ist,
leistet die Klimaanlage zunächst Nennleistung. Anschließend wird die Kälteleistung reduziert,
um letztlich auf Minimallast durchzulaufen. Die aufgenommene elektrische Leistung reduziert
sich überproportional zur Kälteleistung, weshalb die Effizienz mit abnehmender Leistung steigt.
Im konstanten Betrieb am Nachmittag werden letztlich EER-Werte nahe 6 erreicht.
Anforderungsprofil und Eignung für solare Kühlung
In Tabelle 3.3.6 ist die tägliche Kälteerzeugung, der kumulierte Solarertrag sowie die durch-
schnittliche und maximale Tagestemperatur im Monat Juni 2012 aufgetragen. Dabei sind nur
die Werktage berücksichtigt, da am Wochenende kein Bürobetrieb und somit auch kein Kälte-
bedarf vorherrschte.
Für die Tage, an denen die erzeugte Kälte 10 kWh übersteigt wurde das Verhältnis von Glo-
balstrahlung zu aufgewandter Elektroenergie gebildet. Dieser Wert schwankt zwischen 0.5-2.2.
Dabei muss beachtet werden, dass zwischen Globalstrahlung und Photovoltaikertrag in etwa
der Faktor 7 liegt, d.h. es wird die 7fache Fläche an Photovoltaik benötigt um die gleiche elektri-
sche Energie zu erzeugen, die als Globalstrahlung pro Fläche zur Verfügung steht. Entscheidend
für eine Eignung zur solarelektrischen Klimatisierung ist hierbei nicht eine Verhältnis von Glo-
balstrahlung zu elektrischen Bedarf nahe am Wert 1 sondern ein möglichst geringe Schwan-
kung um einen beliebigen Wert. Die Eignung zur solaren Klimatisierung beschränkt sich nicht
auf solarelektrische Klimatisierung, auch solarthermische Klimatisierung wäre möglich. Hierbei
ist das Verhältnis von Kältebedarf zu Globalstrahlung zu beachten, welches ebenfalls eine mög-
lichst geringe Schwankung um einen fixen Wert aufweisen sollte.
Tage mit hohen Kältebedarf gehen bei dieser Installation stets mit hohen maximalen Außen-
temperaturen und gleichzeitig hohen Einstrahlungswerten einher. Für eine solare Klimatisie-
rung würde sich diese Anwendung also gut eignen, da bei entsprechender Dimensionierung der
Solaranlage die Kälte stets zu einem guten Teil aus Solarenergie erzeugt werden könnte. Aller-
dings ist der Umkehrschluss, hohe Solarstrahlung führe zu hohem Kältebedarf, nicht zulässig.
Ein solarelektrisches System führt somit teilweise zu elektrischer Netzeinspeisung und belastet
dieses hierdurch. Alternativ muss ein solarthermisches System durch hydraulische Maßnah-
men vor Überhitzung geschützt werden, da die Solarwärme ebenfalls nicht immer direkt ge-
nutzt werden kann.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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Datum Elektr.
Energie-bedarf
Kälte-arbeit
sEER (Tag)
Ø T T_max Tägliche Global-
strahlung
Global-strahlung/
Elektrischer Bedarf
[kWhel] [kWhth] [-] [°C] [°C] [kWh/m²] [1/m²]
01.06.2012 3.0 17.6 5.79 14.6 17.9 5.0 1.6
04.06.2012 0.9 0.4 0.45 13.1 17.5 2.5 -
05.06.2012 0.3 - - 10.1 13.4 5.5 -
06.06.2012 0.2 - - 12.4 19.6 3.8 -
07.06.2012 0.2 - - 17.5 24.0 5.6 -
08.06.2012 0.2 - - 15.6 18.5 2.3 -
11.06.2012 0.8 3.5 4.17 13.3 19.2 4.7 -
12.06.2012 0.2 - - 12.2 17.5 3.2 -
13.06.2012 0.5 2.2 4.59 13.0 18.1 4.7 -
14.06.2012 0.2 - - 14.0 19.6 7.2 -
15.06.2012 4.6 17.0 3.72 17.9 27.1 7.8 1.7
18.06.2012 5.5 21.8 3.99 22.6 30.6 8.1 1.5
19.06.2012 7.7 26.9 3.51 21.5 26.5 7.4 1.0
20.06.2012 7.5 35.5 4.75 20.4 26.0 4.1 0.5
21.06.2012 7.8 40.0 5.13 20.0 25.7 6.8 0.9
22.06.2012 2.5 13.9 5.64 17.8 22.5 5.3 2.2
25.06.2012 1.3 5.5 4.30 15.0 19.1 5.3 -
26.06.2012 0.2 - - 15.4 21.5 6.6 -
27.06.2012 6.9 37.4 5.44 18.2 25.1 6.5 0.9
28.06.2012 6.3 32.2 5.11 20.8 27.5 7.2 1.1
29.06.2012 9.6 40.8 4.26 22.6 30.0 7.0 0.7
Tabelle 3.3.6 Kältebereitstellung, Solarstrahlung und Temperatur
Fazit
Trotz sorgfältiger Auslegung stellte sich das Kälteaggregat für die Einzelraumklimatisierung als
zu groß dar. Dies wurde zum Teil dadurch bedingt, dass die von den Nutzern gewünschte Soll-
temperatur im Raum deutlich über dem Auslegungswert lag. Deshalb wurde die Klimaanlage
überwiegend in Teillast betrieben. Da das Kälteaggregat aber über eine leistungsgeregelte Au-
ßeneinheit verfügt, konnte die Klimaanlage trotzdem mit geringer Taktfrequenz betrieben
werden. Ebenso wirkte sich die spezifisch große Wärmetauscherfläche im Teillastbetrieb güns-
tig auf die Effizienz aus. So wurde während der Kühlsaison eine Arbeitszahl von knapp 4,2 er-
reicht. Da die Installation sehr unkompliziert und in den meisten Fällen anwendbar ist, schnei-
det bei dezentralen Installationen und im kleinen Leistungsbereich die Monosplit-Klimaanlage
sehr gut ab. Durch die zugluftfreie Kälteeinbringung und die Luftentfeuchtung, welche bei der
zuvor betriebenen Flächenkühlung nicht gegeben war, war der subjektive Eindruck der Nutzer
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 43
sehr positiv. Da der Kältebedarf immer mit hoher Solarstrahlung zusammenfiel, wäre der Ein-
satz einer solaren Klimatisierung gut möglich. Bei einer solarelektrischen Klimatisierungsvari-
ante würde das Netz - eine entsprechende Dimensionierung der Photovoltaikanlage vorausge-
setzt - im Kältebetrieb kaum belastet. Da aber solare Einstrahlung nicht zwangsweise zu einem
Klimatisierungsbedarf führt, kann durch Rückspeisung von Energie in das Leitungsnetz nicht
von einer belastungsfreien Betriebsführung ausgegangen werden. Solarthermische Systeme
verhalten sich ähnlich. Entsprechend dimensioniert kann im Kühlfall die Antriebsenergie
hauptsächlich aus Solarenergie gewonnen werden, bei Solarstrahlung ohne Kühlbedarf muss
aber eine Möglichkeit für den Überhitzungsschutz der Solaranlage realisiert sein, da die Wär-
meabnahme nicht garantiert werden kann.
3.3.4 Kühlzelle zur Lebensmittelkühlung
Installiertes System
Für die zu vermessende Kühlzelle wurde ein Getränkemarkt im Münchner Umland als Partner
gewonnen. Im Getränkemarkt wurde ein Kühlzelle aufgebaut, in der ein Kälteaggregat mit 2 kW
Nennleistung eingesetzt wird. Für die Kälteerzeugung wurde ein Huckepack-Kälteaggregat
verwendet, welches sich bereits im Besitz des Kältemarktes befand. Deshalb fand keine Dimen-
sionierung des Kälteaggregates für die Größe der Kühlzelle statt.
Die Kühlzelle wurde im Verkaufsraum des Getränkemarktes aufgestellt, wodurch sich über das
gesamte Jahr eine relativ geringe Schwankung der Umgebungstemperatur ergab. Insofern ar-
beitete die Kühlzelle stets bei sehr ähnlichen Betriebsbedingungen. Durch die Innenaufstellung
wird der Kühlraum nicht durch Solarstrahlung aufgeheizt. Somit ergibt sich die Kühllast über-
wiegend durch den Warenumschlag.
Dass in der vermessenen Kühlzelle Getränke und nicht etwa Fleisch oder Frischware gekühlt
wurden, erwies sich insofern als günstig, als im ersten Betriebsjahr durch den Messtechnikauf-
bau eine Kältemittelleitung barst. In Folge davon fiel die Kühlung für ca. 48 h aus. Da es sich bei
den gekühlten Getränken um Wasser, Softdrinks und Bier handelte, wurden die Produkte durch
die Unterbrechung der Kühlkette jedoch nicht beschädigt, so dass kein weiterer finanzieller
Schaden entstand.
Messtechnik
Die thermische Leistungsbilanzierung wird im Kältekreislauf vorgenommen. Dazu wurden die
Saug- und Druckleitung mit jeweils einem Druck- und einem Temperatursensor ausgestattet.
Die Temperatursensoren sind im Kältekreislauf eingelötet und werden so direkt von Kältemit-
tel umströmt. Die Messstellen wurden so gewählt, dass zum einen die Enthalpie des Kältemit-
tels nach dem Verdampfer und zum anderen nach dem Kondensator ermittelt werden kann. Zu-
sätzlich ist ein Coriolis-Massendurchfluss-Messgerät in der Hochdruckleitung zwischen Kon-
densator und Drosselventil verbaut. Über die Enthalpiedifferenz und den Massenstrom kann so
die thermische Leistung bestimmt werden.
Zusätzlich wird der elektrische Energiebezug der gesamten Kälteanlage gemessen. Eine Auftei-
lung des Energiebedarfs nach Verdichter und Ventilatoren wird nur indirekt vorgenommen.
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 44
Des Weiteren werden noch Temperatur- und Luftfeuchte der Kühlzelle und des Aufstellraumes
aufgezeichnet. Der Messaufbau ist dem Aufbau des Mono-Split-Gerätes sehr ähnlich, welches in
Abbildung 3.3.7 skizziert ist.
Betriebsergebnisse und Analyse
Die Vermessung der Kühlzelle startete Mitte 2011. Kurze Zeit später barst eine Kältemittellei-
tung als Folge von Materialermüdung. Durch den zusätzlichen Einbau eines Drucksensors in die
Kältemittelhochdruckleitung hatte sich ein schwingendes System ergeben, das durch die Vibra-
tionen des Hubkolbenverdichters angeregt wurde, so dass die Kältemittelleitung nach kurzer
Betriebszeit undicht wurde. Bei der Reparatur gelangten Fremdgase in den Kältekreislauf, wes-
halb die Messwerte in der folgenden Betriebsphase während des Sommers 2011 nicht aussage-
kräftig waren. Nach einer Neubefüllung im Herbst 2011 konnten die Messdaten für eine Bewer-
tung herangezogen werden. Nachfolgend werden in Tabelle 3.3.7 die Messdaten von November
2011 bis Oktober 2012 betrachtet.
Monat Erzeugte
Kälte Energie-bedarf
ØVerdichterstarts pro Tag
sEER
[kWhth] [kWhel] [-] [-]
November 210 207 140 1.0
Dezember 204 208 128 1.0
Januar 201 207 137 1.0
Februar 156 180 137 0.9
März 222 216 133 1.0
April 232 216 125 1.1
Mai 324 258 130 1.3
Juni 391 281 133 1.4
Juli 414 295 131 1.4
August 452 309 138 1.5
September 354 265 141 1.3
Oktober 279 238 131 1.2
Gesamt 3438 2880 Ø134 1.2
Tabelle 3.3.7 Energiebilanz der Kühlzelle
Über ein Betriebsjahr erreicht die Kühlzelle einen sEER von 1.2. Im Nennbetriebspunkt ist der
EER mit einem Wert von 2 ausgewiesen. Aus thermodynamischer Sicht ist der EER-Wert sehr
gering, für Geräte dieser Bauart und Leistung aber üblich. Der sEER ist deutlich geringer, was
hauptsächlich dem Dauerbetrieb des Verdampferventilators geschuldet ist. Dieser benötigt
auch Energie, wenn der Verdichter still steht und keine Kälte erzeugt wird. Die umgesetzte Käl-
te erreicht in den Monaten Juni – August in etwa den doppelten Wert wie im Winterhalbjahr.
Die Anzahl der durchschnittlichen Verdichterstarts pro Tag variiert über die verschiedenen
Monate kaum und lässt keine Korrelation mit der umgesetzten Kälteenergie erkennen. Dies
liegt daran, dass das Kälteaggregat für die Kühlzelle deutlich überdimensioniert ist und somit
die innere Last des Verdampferventilators sehr häufig zu einem Betrieb des Verdichters führt.
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Das Kälteaggregat wurde im Modus „hohe Luftfeuchte im Innenraum“ betrieben. Dabei läuft der
Verdampferventilator permanent und nicht nur bei Kältebetrieb, um den Wärmeübergang am
Verdampfer zu verbessern. Da beim Kältebetrieb ein Teil der Luftfeuchte des Kühlraums am
Verdampfer kondensiert, sinkt die Luftfeuchte ab. Durch den permanenten Ventilatorbetrieb
wird ein Teil der kondensierten Luftfeuchte der Luft wieder zugeführt und die relative Luft-
feuchte bleibt hoch. Dies ist bei offen verpackten Kühlgütern wie beispielsweise Obst oder Ge-
müse erwünscht, um die Qualität, die Frische und das Gewicht des Produktes zu erhalten. Bei
der untersuchten Anwendung, bei der luftdicht verpackte Getränke gekühlt werden, hat die
Luftfeuchte keinen Einfluss auf die Produktqualität. Somit wäre der dauerhafte Ventilatorbe-
trieb unnötig gewesen. Da aber in der Planung des Projektes EVASOLK vereinbart wurde, dass
von den Instituten kein Einfluss auf die Betreiber der Kälteanwendungen genommen wird,
wurde die Messung mit einem dauerhaften Ventilatorbetrieb durchgeführt.
Die Kombination eines zu großen Kälteaggregates mit einem dauerlaufenden Verdampferventi-
lator führte dazu, dass ein großer Teil der erzeugten Kälte für die innere Last des Ventilators
benötigt wurde. Dabei wurde der Innenraum stets relativ schnell über die Solltemperatur er-
wärmt, was zu einem starken Taktverhalten des Kälteaggregates beitrug. Im Winterhalbjahr
wurde beispielsweise mehr als 50 % der erzeugten Kälte für die Rückkühlung der vom Ventila-
tor erzeugten Wärme benötigt.
Im Dezember 2012 wurde der Betriebsmodus „hohe Luftfeuchte im Innenraum“ abgeschaltet
und das Kälteaggregat für 6 Tage vermessen. Dieser Zeitraum wurde mit dem gleichen Zeit-
raum des Vorjahres verglichen. Der Energiebedarf der gesamten Kühlzelle sank unter 25 % des
Vorjahreswertes. Die Anzahl der Verdichterstarts ging ebenfalls signifikant zurück. Die Messer-
gebnisse dieses Vergleiches sind in Tabelle 3.3.8 dargestellt. Da diese Einsparung den theoreti-
schen Überlegungen entsprach bzw. diese sogar übertraf, wurde dem Betreiber empfohlen, die
Kühlzelle zukünftig dauerhaft ohne permanenten Ventilatorlauf zu betreiben.
Datum Energiebedarf Laufzeit Verdichterstarts
[kWhel] [h] [-]
Ventilator läuft konstant (hohe Luftfeuchte)
01.12.2011 6.5 3.4 122
02.12.2011 6.8 3.8 127
03.12.2011 6.5 3.4 115
04.12.2011 6.6 3.4 118
05.12.2011 6.5 3.3 115
06.12.2011 6.9 3.8 122
Ventilator läuft nur bei Kältebereitstellung (niedrige Luftfeuchte)
01.12.2012 2.0 2.1 41
02.12.2012 1.5 1.6 42
03.12.2012 1.6 1.7 45
04.12.2012 1.7 1.8 64
05.12.2012 2.5 2.7 62
06.12.2012 1.5 1.6 44
Tabelle 3.3.8 Vergleich Kühlzellenbetrieb hohe und niedrige Luftfeuchte
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Da lediglich der gesamte Energieverbrauch des Kälteaggregates gemessen wurde, kann nur in-
direkt auf den Energiebedarf des Verdampferventilators geschlossen werden. Dazu wurden die
Betriebszustände „Kältebetrieb“ (Verdichter + beide Ventilatoren), Standby mit Verdampfer-
ventilatorbetrieb und Standby ohne Verdampferventilatorbetrieb verglichen. Somit kann der
Energiebedarf des gesamten Jahres auf die Komponenten Verdichter (inklusive Verflüssiger-
ventilator) und Verdampferventilator einzeln ausgewiesen werden. Abbildung 3.3.10 zeigt eine
Aufteilung des gesamten Energiebedarfs nach Komponenten.
Abbildung 3.3.10 Aufteilung des elektrischen Gesamtenergiebedarfs der Kühlzelle nach Komponenten
Die umgesetzte Energie des Lüfters ohne Kälteerzeugung wird letztlich in Wärme umgewan-
delt, welche wiederum weggekühlt werden muss. Die gesamte benötigte Kälteenergie könnte
also um ca. 1200 kWh geringer ausfallen, wenn die Einstellung hohe Luftfeuchte vermieden
wird.
Die hohe innere Last durch den permanenten Ventilatorbetrieb entspricht einer hohen Käl-
tegrundlast. Deshalb bewirkt die höhere benutzerinduzierte Kältelast im Sommer auch nur eine
Verdoppelung der bereitgestellten Kälte gegenüber dem Winterhalbjahr. Der Umsatz der ge-
kühlten Getränke und die jahreszeitliche Verteilung ist nicht bekannt. Die Annahme, dass diese
im Sommer deutlich höher ist als im Winter, ist aber plausibel.
Abbildung 3.3.11 Jährlicher Verlauf der täglichen mittleren Raumtemperatur und umgesetzten Kälte
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 47
In Abbildung 3.3.11 ist der Verlauf der mittleren Raumtemperatur und der umgesetzten Kälte
dargestellt. Während in den Wintermonaten der Kältebedarf ein Minimum hat, steigt er in den
Sommermonaten kontinuierlich an. Dies liegt zum einen daran, dass bei einer geringeren Tem-
peraturdifferenz von Kühlzelle zu umgebendem Raum die Kälteverluste der Kühlzelle geringer
sind. Zum anderen kann davon ausgegangen werden, dass der Umsatz an gekühlten Getränken
bei erhöhten Außentemperaturen höher ist. Dadurch steigt sowohl der Wärmeeintrag durch
neue, zu kühlende Getränke als auch der Wärmeeintrag durch ein vermehrtes Öffnen der Kühl-
zellentür.
Das Kühlzellenaggregat weist fast ausschließlich Laufzeiten unter einer Minute auf. Deshalb
sind die Zeiträume, in denen ein konstanter Kältebetrieb herrscht, sehr kurz. Trotzdem wurde
aus diesen Intervallen ein mittlerer EER bei gegebener Temperaturdifferenz gebildet. Das Er-
gebnis davon ist in Abbildung 3.3.12 dargestellt. Die Werte liegen etwa zwischen 1.8 – 2.4 und
haben einen Trend indirekt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Kühlzelle und Auf-
stellraum. Der gewichtete Mittelwert liegt bei 2.0. Die relative Abweichung hiervon beträgt -
10%/ + 20%, die absolute Abweichung beträgt 0.4. Verglichen mit dem direktverdampfenden
Mono-Split-System ist die Schwankung im EER geringer, da das Kälteaggregat keine Leistungs-
regelung vornehmen kann und die Temperaturdifferenz weniger stark schwankt.
Abbildung 3.3.12 EER der Kühlzelle in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Kühlzelle und
Aufstellraum bei konstanten Betriebsbedingungen
Anforderungsprofil und Eignung für solare Kühlung
Neben dem Einfluss erhöhter Außentemperaturen ist auch ein signifikanter Zusammenhang
zwischen Kältebedarf und Wochentag zu erkennen. Dies soll exemplarisch an den Wochen vom
18.06.-01.07.2012 dargestellt werden, die in Abbildung 3.3.13 zu sehen sind. Da die Solarstrah-
lung nicht gemessen wurde, werden die Werte einer Wetterstation in ca. 5 km Entfernung ge-
nutzt. Es wird davon ausgegangen dass an beiden Standorten keine signifikant unterschiedli-
chen Strahlungsverhältnisse vorlagen.
An den beiden Sonntagen ist der Kältebedarf gering, an diesen Tagen ist der Getränkemarkt ge-
schlossen. Somit werden keine neuen Wärmelasten eingebracht und es findet auch kein Luft-
austausch durch Öffnen der Kühlzellentür statt. Der höchste Kältebedarf liegt bei beiden Wo-
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 48
chen jeweils am Freitag vor, obwohl dort die Solarstrahlung nicht höher bzw. sogar niedriger ist
als an anderen Tagen der Woche. Ebenso ist die durchschnittliche Außentemperatur nicht sig-
nifikant höher als im Wochendurchschnitt. Der Kältebedarf, der sich zum Teil proportional zum
Getränkeumsatz verhält, folgt also weniger einem externen solaren Strahlungsangebot oder der
Umgebungstemperatur als einem von Wochentagen geprägten Einkaufsverhalten.
Abbildung 3.3.13 Tageswerte von Kälte, Solarstrahlung und maximaler Außentemperatur über 2 Wochen
Durch die hohe Kältegrundlast, die im Winter noch ca. 50 % der Sommerlast beträgt, sowie der
geringen, eher indirekten Abhängigkeit des Kältebedarfs von der Solarstrahlung ist diese Art
der Kühlung tendenziell weniger gut für solare Kühlung geeignet. Der Energiebedarf für die
Kühlung folgt einem Einkaufsverhalten, welches bestenfalls indirekt vom Wetter abhängt.
Ebenso ist eine Kühlung der Waren an 24 Stunden pro Tag erforderlich, wodurch die Nacht-
stunden von vornherein für solare Kühlung ausscheiden.
Fazit
Das Kälteaggregat ist für die Größe der Kühlzelle und den Warenumsatz deutlich überdimensi-
oniert. Durch den konstanten Betrieb des Verdampferventilators während der Messperiode
wurde der niedrige nominale EER von 2.0 durch den sEER von 1.2 nochmals unterschritten.
Zudem entfiel ein großer Teil der Kältelast auf die umgesetzte Energie des Verdampferventila-
tors. Nach Abschluss der Untersuchung wurde dem Betreiber empfohlen, den Dauerlauf des
Ventilator zu deaktivieren. Somit kann im weiteren Betrieb die Effizienz erhöht, vor allem aber
der gesamte Energieumsatz verringert werden.
Für eine solare Kühlung konnte keine Eignung festgestellt werden, da die Solarstrahlung ge-
genüber dem Einkaufsverhalten der Kunden nur einen untergeordneten Einfluss auf den Kälte-
bedarf hat. Zudem ist eine Kühlung rund um die Uhr nötig, somit also auch während der Nacht-
stunden.
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3.3.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Während der Vermessung der zuvor beschriebenen Kompressionskälteanlagen im Feld stellte
sich heraus, dass jedes System eigene Besonderheiten aufwies aber dass auch einige Gemein-
samkeiten festgestellt wurden. Gemein war den Systemen, dass sie alle überdimensioniert wa-
ren. Dies führte, mit Ausnahme des Mono-Split-Gerätes, dazu, dass die Hilfsenergie, die das Ge-
bäudesystem für Umwälzpumpen und Ventilatoren bereitstellen musste, einen signifikanten
Anteil am gesamten Energiebedarf hatte. Zudem wirkten der erhöhte Pump- bzw. Ventilato-
raufwand als zusätzliche Wärmequellen die den Kältebedarf steigerten. Die Effizienzwerte der
Kälteanlagen konnten nicht mit den Werten der Prüfstandsmessung bzw. den Herstelleranga-
ben verglichen werden, da die Test-Normbedingungen nicht anlagen. Trotzdem zeigten die Käl-
teerzeuger selbst eine Performancen, die in etwa den erwarteten Werten entsprach. In Abbil-
dung 3.3.14 sind die gemessenen Effizienzwerte gegenüber den zu erwartenden Werten nach
DIN V 18599 aufgetragen. Die vorliegenden Vorlauftemperaturen der Kaltwassersätze lagen
zwischen 6 und 14° C, so dass die beiden dargestellten Kurven nach DIN V 18599 das Intervall
darstellen, in dem man die Messwerte erwartet. Die ermittelten Effizienzwerte des Kaltwasser-
satzes der Flächenkühlung liegen entsprechend der Erwartung im zuvor genannten Intervall.
Der Kaltwassersatz der Umluftkühlung weist vor allem bei höheren Außentemperaturen einen
geringfügigen Effizienzvorteil gegenüber den Werten nach DIN V 18599 auf. Die gemessenen
Effizienzwerte des Mono-Split Gerätes Markenanbieter folgen zwar dem prinzipiellen Verlauf
der Effizienzwerte nach DIN V 18599. Die Messergebnisse übertreffen die Erwartung hier aber
signifikant. Dieses Ergebnis könnte dadurch zustande kommen, dass das untersuchte Gerät eine
höhere Effizienz aufweist als durchschnittliche Mono-Split-Geräte und der Bewertung nach DIN
V 18599 konservative Annahmen zu Grunde liegen. Zudem sind die Annahmen nach Norm
mindestens 6 Jahre alt. Die Kühlzelle kann nicht in der Abbildung 3.3.14 dargestellt werden, da
sich die DIN V 18599 ausschließlich auf Komfortklimatisierung bezieht. Gewerbliche Kühlung
ist hier nicht erfasst.
Abbildung 3.3.14 Vergleich Effizienz Messwerte und Effizienz nach DIN V 18599
2
3
4
5
6
7
8
5 10 15 20 25 30 35
EE
R[-
]
Außentemperatur [°C]
KWS Flächenkühlung 6°C nach DIN V 18599
KWS Flächenkühlung 14°C nach DIN V 18599
KWS Umluftkühlung 6°C nach DIN V 18599
KWS Umluftkühlung 14°C nach DIN V 18599
Mono-Split Markenanbieter nach DIN V 18599
KWS Flächekühlung Messung
KWS Umluftkühlung Messung
Mono-Split Markengerät Messung
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Die beiden Kaltwassersätze waren suboptimal in das Gesamtsystem eingebunden, deshalb war
die Systemeffizienz deutlich geringer als die der reinen Kälteerzeugung. Dieses Phänomen wird
auch häufig bei Systemen mit Absorptionskälteanlagen beobachtet.
Das Kälteaggregat der Kühlzelle war deutlich überdimensioniert und wurde in einem unnötig
energieintensiven Betriebsmodus gefahren. Dadurch wurde die Systemeffizienz über die ge-
samte Messperiode verringert und der Energiebedarf erhöht. Das Kälteaggregat allein erreichte
im Betrieb relativ genau den vom Hersteller angegebenen EER-Wert von 2.0. Dieser Wert ist
zwar üblich für diesen Typ, allerdings aus thermodynamischer Sicht sehr niedrig.
Beim Mono-Split-Gerät zeigten sich trotz Überdimensionierung keine negativen Auswirkungen
auf die Performance. Während der Kühlperiode wurde ein sEER über 4 erreicht. Aufgrund sei-
ner hohen Effizienz, seiner Vielseitigkeit und der insgesamt geringen Betriebskosten dürfte eine
Klimatisierung mittels eines solchen Gerätes in vielen Fällen die stärkste Konkurrenz zu so-
larthermischen Kühlungsvarianten darstellen.
3.4 Prognose Kältetechnik – Expertenumfrage
Für eine Prognose der zukünftigen Entwicklungen im Bereich der Kältetechnik wurde im Rah-
men des Vorhabens EVASOLK eine Expertenbefragung zum Thema „Trends und Entwicklungen
in der Kältetechnik“ vom ZAE Bayern und ILK Dresden durchgeführt. Die Befragung erfolgte
anonym über einen Online-Fragebogen in dem Zeitraum zwischen Oktober 2012 und Januar
2013. Insgesamt wurden 30 Branchenexperten gebeten, den Umfragebogen auszufüllen, wovon
19 Personen dieser Bitte nachkamen. Die Befragten sind hauptberuflich im Bereich der Klimati-
sierung bzw. Kältetechnik tätig. In Abbildung 3.5.1 sind die von den Befragten angegebenen
Qualifizierungen bzw. Tätigkeiten aufgeschlüsselt.
0 2 4 6 8 10
Monteur
Meister
Techniker
Ingenieur
Vertrieb Innendienst
Vertrieb Außendienst
F&E
Einkauf
Befragte Personen
Abbildung 3.4.1 Angabe über Qualifikationen / Tätigkeiten der befragten Personen
Der Fragebogen ist in zwei wesentliche Teile untergliedert: „Markttrends“ und „Techniktrends“.
Die Fragen und Ergebnisse zum Teil „Markttrends“ sind in Abbildung 3.5.2 zusammen gefasst.
In Abbildung 3.5.2 bis 3.5.6 sind die Ergebnisse zum Teil „Techniktrends“ dargestellt.
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0% 20% 40% 60% 80% 100%
Wie wird sich der Markt zwischen günstigen "Baumarktgeräten" und qualitativen "Markengeräten"
zukünftig aufteilen?
Erwarten Sie mittel-/ langfristig eine Sättigung am Markt?
Welche maximale Steigerung der Verkaufszahlen erwarten Sie in Zukunft (bezogen auf die heutigen
Verkaufszahlen)?
Welche jährlichen Wachstumsraten erwarten Sie beim Verkauf von Klimageräten?
Von welcher Lebensdauer gehen Sie bei gleicher Nutzung eines "Markengerätes" aus?
Von welcher Lebensdauer einer Monosplit Klimaanlage aus dem Baumarkt gehen Sie bei normaler Nutzung in Mitteleuropa heute aus?
> 50 % (0 %)
< 5 Jahre 5 - 10 Jahre
> 10 Jahre
5 - 10 Jahre > 10 Jahre
< 5 % 5 - 10 % > 10 %
< 20 % 20 - 50 %
mittelfristig langfristig
keine Sättigung (0 %)
Markengeräte dominieren beide gleich auf
Baumarktgeräte dominieren
Abbildung 3.4.2 Fragen und erhaltene Antworten zum Thema „Markttrends“
Aus den Antworten zu den Fragen des Bereiches „Markttrends“ lassen sich kaum eindeutige
Schlussfolgerungen ableiten (Abbildung 3.5.2). Wie zu erwarten, wird „Markengeräten“ eine
höhere Qualität und damit eine längere Lebensdauer bescheinigt.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 52
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Solare Einstrahlung und Kältebedarf für Komfortklimatisierung weisen häufig eine hohe
Überdeckung auf. Welchen Einfluss wird die PV mit den permanent sinkenden Modulpreisen auf die Entwicklung
bei Klimageräten nehmen?
Bei der Verwendung von HFKW-Kältemitteln können Leckagen einen erheblichen Einfluss auf die Klimawirkung
der Kälteanlage haben. Wie werden sich in Zukunft die Kältemittelverlustraten entwickeln?
Welche Rolle wird die Effizienz in Zukunft bei Entwicklung und Vermarktung einnehmen?
Welche Technik wird in Zukunft Vorteile bzgl. des EER / COP haben?
Welche Technik (Kaltwassersatz oder Direktverdampfer) wird sich im Bürobereich in Europa durchsetzen?
Welche Technik (Kaltwassersatz oder Direktverdampfer) wird sich im Hotelsektor in Europa durchsetzen?
Welche Technik (Kaltwassersatz oder Direktverdampfer) wird sich im Bereich Bestandsgebäude für den
Privathaushalt in Europa durchsetzen?
Mono-Split Multi-Split
KWS (0 %) keine Dominanz
KWS Multi-Split
Mono-Split (0 %)
keine Dominanz (0 %)
KWS
Mono-Split (0 %)
Multi-Split
keine Dominanz (17 %)
KWS Splitgerät
wird wichtiger sekundär
steigend
unverändert abnehmend
keinenerhöhter Eigenverbrauch aber keine direkte Kopplung
direkte Kopplung mit PV
Abbildung 3.4.3 Fragen und erhaltene Antworten zum Thema „Techniktrends“
Die Auswertung der Fragen zu den technischen Entwicklungen (Abbildung 3.5.3) zeigt, dass der
Anteil von Kaltwassersätzen von der Anwendung und damit verbunden vom Leistungsbereich
abhängt. Während im Privathaushaltsbereich ausschließlich der Einsatz von Split-Geräten er-
wartet wird, liegt der erwartete Anteil von Kaltwassersätzen im Hotelsektor bei knapp 40 %
und im Bürogebäudebereich bei etwas über 50 %. Eine knappe Mehrheit der Befragten sieht
dabei in der Zukunft Effizienzvorteile eher im Bereich der Kaltwassertechnologie. Vergleichs-
weise eindeutig wird die steigende Bedeutung der Energieeffizienz bei der Entwicklung und
Vermarktung von Kälteanlagen bejaht.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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Die Einschätzung bezüglich der Entwicklung der Leckraten führt zu keinem eindeutigen Ergeb-
nis. Etwas mehr als die Hälfte der Befragten erwartet steigende oder unveränderte Leckraten.
47 % der Befragten gehen von sinkenden Leckraten aus.
Bezüglich der solarelektrischen Klimatisierung erwartet eine breite Mehrheit zukünftig einen
Einfluss der gesunkenen PV-Stromerzeugungskosten. Allerdings erwarten nur 18 %, dass es
vermehrt Anlagen mit direkter Kopplung an die PV-Erzeugung geben wird.
0 20 40 60 80 100
Inverterregelung
Reversibler Betrieb
Zwischenkühlung
Freie Kühlung
Auswahl der entsprechenden Techniktrends (Anteil der Befragten in %)
Frage: Welche Techniktrends werden sich in der Klimakälteanwendung als quasi-Standard etablieren? (Merfachauswahl möglich)
Abbildung 3.4.4 Antworten zur Frage bezüglich zukünftig etablierter Technologien
Die Ergebnisse zu zukünftig (verstärkt) etablierten Technologien zeigt, dass eine Mehrheit von
über 80 % der Befragten die Kälteleistungsregelung durch Drehzahlveränderung des Verdich-
ters erwartet (Abbildung 3.5.4). Knapp die Hälfte der Befragten geht von einer verstärkten Nut-
zung der Kältemaschine als Wärmepumpe aus.
0 10 20 30 40 50 60 70
HFKW
Low-GWP-HFKW
CO2
Propan
Butan
R32
Auswahl der entsprechenden Kältemittel (Anteil der Befragten in %)
30 kW
5 kW
Frage: Welches Kältemittel wird in Zukunft in zwei verschiedenen Kälteleistungsklassen (5 kW / 30 kW) am häufigsten Verwendung finden wird.(Mehrfachauswahl möglich)
Abbildung 3.4.5 Antworten zur Frage bezüglich zukünftig eingesetzter Kältemittel
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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Die Einschätzungen bezüglich des zukünftig dominierenden Kältemittels in Anwendungen mit
5 kW bzw. 30 kW Kälteleistung zeigt ein differenziertes Bild (Abbildung 3.5.5). Die Mehrzahl
der Befragten erwartet einen weiteren Einsatz von HFKW-Kältemitteln bzw. von Low-GWP-
HFKW und damit keine Umstellung auf natürliche Kältemittel. Im Bereich der natürlichen Käl-
temittel wird Propan, wahrscheinlich aufgrund der höheren Effizienz in Klimaanwendungen,
häufiger genannt als CO2.
Eine breite Mehrheit der Befragten erwartet eine weitere deutliche Steigerung der nominalen
EER-Werte von Split-Klimaanlagen in den nächsten Jahren (Abbildung 3.5.6). 35 % gehen von
EER-Werten im Bereich 4.0…4.9 und weitere 50 % von Werten im Bereich von 5.0... 5.9 aus.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
3,0 .. 3,9 4,0 .. 4,9 5,0 .. 5,9 6,0 .. 6,9
Ein
sch
ätzu
ng
de
r B
efr
agte
n (
in %
)
EER - Bereiche
Frage: Heute wird ein EER >3,2 benötigt, um im Energielabel ein A für eine Split-Klimaanlage zu erhalten. Viele Geräte erreichen bereits nominale EER Werte zwischen 3,5 - 4,5. Wie hoch wird der typische EER Wert eines guten Splitklimagerätes in 10 Jahren sein? (Angaben jeweils bei Außentemp.(TK): 35 °C, Innentemp.(TK): 27 °C)
Abbildung 3.4.6 Antworten zur Frage bezüglich zukünftig typischer EER-Werte von Splitgeräten
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 55
4 Analyse solarthermische Kühlung
Autoren: Peter Zachmeier, Manuel Riepl (ZAE)
Bis vor wenigen Jahren war der Begriff solare Kühlung hauptsächlich mit solarthermischer Kühlung
verknüpft. Da in diesem Bereich bereits einige geförderte Forschungsprojekte mit wissenschaftli-
cher Begleitung durchgeführt wurden, besteht bei den Projektpartnern bereits umfangreiches Wis-
sen über typische Betriebsweisen, potenzielle effizienzmindernde Ausführungen und System-
schwachstellen. Im Projektteil „Analyse solarthermische Kühlung“ wurde eine Übersicht über die
Technik und die aktuell verfügbaren Geräte der thermischen Kühlsysteme gegeben, Praxisdaten aus
früheren Forschungsprojekten aufgearbeitet sowie das Entwicklungspotenzial von thermischen
Kältemaschinen und ihrem umgebenden System untersucht. Im Rahmen dieses Berichtes soll nur
eine Übersicht dieser Teilpunkte wiedergegeben werden, ausführlich sind diese Punkte in folgen-
dem separaten Bericht dargestellt:
„EvaSolK - Evaluierung der Chancen und Grenzen von solarer Kühlung im Vergleich zu Referenz-
technologien – Analyse von solarthermischer und photovoltaisch gespeister Kälteerzeugung
AP 2 Analyse solarthermische Kühlung“
Dieser Bericht wurde hauptverantwortlich vom ZAE Bayern mit Unterstützung der Projektpartner
ILK und ISE erstellt und kann über alle drei Projektpartner bezogen werden.
4.1 Marktübersicht und technische Analyse von Absorptions- und Adsorp-tionskälteanlagen kleiner Leistung
Innerhalb dieses Unterpunktes wird eine kurze Einleitung in die Kältetechnik gegeben, die Un-
terscheidung zwischen Absorptionskälteanlage, Adsorptionskälteanlage sowie Kompressions-
kälteerzeugung und die Abgrenzung zwischen offenen und geschlossenen thermischen Kälte-
bzw. Klimatisierungsverfahren dargestellt. Es folgt eine Marktübersicht von Ab- und Adsorpti-
onskälteanlagen sowie ein Abschnitt über das Verhalten von thermisch angetriebenen Kältema-
schinen bei Lastwechseln und in Teillast. Dies ist insofern interessant, da thermisch angetrie-
bene Kältemaschinen aufgrund ihrer größeren thermischen Masseträger auf Laständerungen
reagieren. Ebenso verschlechtert sich der Wirkungsgrad besonders von Absorptionskältema-
schinen bei taktendem Verhalten, da ausgetriebenes Kältemittel zur Lösungsverdünnung einge-
setzt wird. Abschließend wird ein Überblick über die Funktionsweise verschiedener offener
sorptionsgestützter Klimatisierungsverfahren gegeben. Diese Technik wird jedoch nicht ver-
tieft, da innerhalb des Projektes EVASOLK ausschließlich geschlossene thermische Kälteerzeu-
gungssysteme für die Vergleichsstudie benutzt werden.
4.2 Praxisdaten Absorption / Adsorption
In diesem Unterpunkt wird die Erfahrung zusammengefasst, die in zurückliegenden solarther-
mischen Klimatisierungsprojekten gesammelt wurde. Generell wurde festgestellt, dass sich die
ausgeführten Anlagen in ihrer Effizienz teilweise deutlich voneinander unterscheiden und zu-
meist weit unter ihren Möglichkeiten, bezüglich Effizienz, zurückbleiben. In den meisten Fällen
stellten sich die Kälteerzeuger selbst als relativ zuverlässig dar, während die Einbindung in die
gesamte Systemtechnik zu Effizienzeinbußen führte. Dies wirkte sich zum Teil in verminderter
thermischer Effizienz, zumeist aber hauptsächlich in einem hohen Stromverbrauch der Neben-
aggregate wie Pumpen und Ventilatoren aus. Die elektrischen EER-Werte, die die thermisch an-
getriebenen Kältemaschinen im Systemverbund dadurch erreichten, lagen teilweise unter de-
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 56
nen von vergleichbaren Kompressionskälteanlagen. Die positiven Beispiele aus der Praxis zei-
gen aber auch, dass bei guter Ausführung ein deutlicher Teil der elektrischen Energie, vergli-
chen mit einem konventionellen Kompressionskältesystem, eingespart werden kann.
4.3 Entwicklungspotenzial Apparatetechnik
In diesem Unterkapitel wird auf das Entwicklungspotenzial und die laufenden Forschungsar-
beiten bezüglich der Weiterentwicklung der Apparatetechnik eingegangen. Dabei wird noch-
mals zwischen Entwicklungen bei den Absorptionskältemaschinen und den Adsorptionskälte-
maschinen unterschieden.
Bei den einstufigen Absorptionskältemaschinen wird beispielsweise eine Erhöhung des thermi-
schen EER in Teillast durch variable Lösungsmengen angeführt. Weitere Entwicklungen haben
die Verringerung der hydraulischen Widerstände in den Wärmetauschern zum Ziel, um elektri-
sche Pumpenergie einzusparen. Des Weiteren werden Ionische Flüssigkeiten als alternative Lö-
sungsmittelpaar beforscht, um einige stoffbedingte Nachteile von wässriger Lithiumbromidlö-
sung zu umgehen. Ebenso werden Abmessungen und Gewicht optimiert sowie am Einsatz von
mehrstufigen Absorptionskältekreisläufen geforscht.
In der Adsorptionskältetechnik liegt das Hauptaugenmerk auf der Erhöhung der Leistungsdich-
te durch den Einsatz neuer Sorptionsmittel sowie auf der Verbindung des Sorptionsmittels mit
der Wärmetauscherstruktur. Ebenso soll dadurch der Einsatzbereich erweitert werden, da
neue Sorptionsmittel ggf. den Ersatz von Wasser als Kältemittel durch ein Kältemittel mit nied-
rigerem Gefrierpunkt zulassen.
4.4 Entwicklungspotenzial Systemtechnik
Ähnlich zu Kapitel 4.3 wird auch hier die Betrachtung in Absorptionskältetechnik und Adsorp-
tionskältetechnik unterteilt.
Bei der Absorptionskältetechnik wird das größte Potenzial, eine korrekte Dimensionierung und
Auswahl von hocheffizienten Komponenten vorausgesetzt, in der Regelungstechnik und Syste-
meinbindung gesehen. Optimierte Regelstrategien können in Teillast deutlich zur Reduzierung
der elektrischen Leistungsaufnahme beitragen und zu einer Steigerung des elektrischen EER
gegenüber dem Volllastpunkt führen. Des Weiteren ist die Einbindung von Speichern in das
System möglich. Beispielsweise kann durch Einbindung eines Latentwärmespeichers auch mit
trockenen Rückkühlwerken eine geringe Rückkühltemperatur eingehalten werden, indem ein
Teil der Abwärmeabgabe an die Umwelt in die Nacht verlagert wird. Dadurch kann sowohl
elektrische Energie eingespart werden als auch vor allem der Leistungsbezug reduziert werden.
Die oben diskutierten Entwicklungspotenziale bzgl. der Regelungstechnik treffen in ähnlicher
Weise auch für die Adsorptionstechnik zu, da die externen hydraulischen Kreise sehr ähnlich
sind. Adsorptionskältemaschinen haben üblicherweise einen geringeren thermischen EER als
Absorptionskälteanlagen mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser/wässrige Lithiumbromid-Lösung.
Deshalb ist bei Adsorptionskältemaschinen eine energetisch optimierte Rückkühlung noch
wichtiger, da bei gleicher Kälteleistung noch höhere Abwärmeströme abgeführt werden müs-
sen. Um den geringen thermischen EER auszugleichen, gibt es ferner Entwicklungen, einen ex-
ternen Wärmespeicher für den Temperaturwechsel zwischen Desorptions- und Adsorptions-
phase einzusetzen und so einen ähnlichen Effekt zu erzielen, den Absorptionskältemaschinen
mittels eines Lösungswärmetauschers erreichen.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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5 Vergleichsstudie Solare Kühlung in Gebäuden
Autoren: Edo Wiemken, Anna R. Petry Elias, Björn Nienborg (Fraunhofer ISE)
Zur Erläuterung von Kurzzeichen wird auf die Nomenklatur im Anhang A5.1 verwiesen.
5.1 Vorbemerkungen
In der Vergleichsstudie zur solaren Kühlung in Gebäuden wird die Fragestellung untersucht,
wie sich solare Kühlung darstellt
in unterschiedlichen Klimaten
in verschiedenen Anwendungen
in unterschiedlichen Konfigurationen.
Die Ergebnisse werden vollständig durch Modellrechnungen mit exemplarischen Konfiguratio-
nen der solaren Kühlung generiert. In die Modellbildung fließen dabei Erkenntnisse aus den
anderen Arbeitsschwerpunkten des Vorhabens ein, dies betrifft z.B. die Effizienz konventionel-
ler Kältetechnik im Nenn- und Teillastbetrieb (aus dem Arbeitspaket Referenztechnologien)
sowie das Verhalten solarthermisch angetriebener Komponenten (aus der Analyse solarther-
mischer Kühlung).
Essentiell zur Beurteilung der Ergebnisse der zahlreich durchgeführten Modellrechnungen ist
der Vergleich mit konventioneller, nicht regenerativ unterstützter Gebäudeversorgung; diese
wird im Folgenden Referenz genannt. Der Vergleich mit der Referenz erfolgt in zweierlei Hin-
sicht: einerseits wird solarthermisch unterstützte Gebäudeversorgung (ST) mit der Referenz
verglichen, andererseits wird die konventionelle Gebäudeversorgung um einen PV-Generator
erweitert und diese Kombination (Ref+PV) wird ebenfalls mit der Referenz verglichen. Daraus
ergeben sich unmittelbar bei Betrachtung der erzielten Ergebnisse – Einsparungen, Kosten usw.
– je nach Anwendung und Standort Vor- bzw. Nachteile für die eine oder andere regenerativ ge-
stützte Variante.
ST
Referenz
Ref+PV
Abbildung 5.1.1 Beide solarunterstützte Varianten – die solarthermische ST und die solarelektrische Ref+PV – werden jeweils mit der Referenz verglichen.
Der Aufbau einer Vergleichsstudie setzt umfangreiche Vorgaben für die Durchführung voraus,
dies betrifft die Wahl der Standorte, der Nutzungsarten, der Anlagenkonfiguration, der Anla-
genkosten und der Betriebskosten. Die Definition der Vorgaben bedeutet zugleich Eingrenzun-
gen der behandelten Thematik. Dennoch wurde versucht, den vorherrschenden Standard-An-
wendungen der jeweiligen Technologien gerecht zu werden. Mit der Festlegung der Vorgaben
werden eindeutig marktgängige Verfahren und Komponenten der solar unterstützten Gebäu-
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 58
deklimatisierung untersucht; neue technologische Ansätze, die teilweise in Pilotvorhaben be-
reits untersucht werden aber noch nicht marktreif sind, sind nicht Gegenstand dieser Analyse.
Darüber hinaus besteht das Potenzial von Solarkomponenten nicht ausschließlich darin, für ei-
nen einzigen Versorgungszweck eingesetzt zu werden: ein solarthermischer Kollektor kann
(und sollte) auch zur Heizungsunterstützung und / oder Brauchwassererwärmung beitragen;
ein PV-Generator liefert Strom, der bei einer netzgekoppelten Technik ohnehin Strombezug für
diverse Verbraucher im Gebäude substituieren kann. Um eine aussagekräftige Kosten- und
Energiebilanzierung durchzuführen, ist daher eine erweiterte Betrachtung unter Einbeziehung
des sonstigen Wärmebedarfs sinnvoll. In der Option Ref+PV wird für die Bilanzierung die direkt
vor Ort aufnehmbare Elektroenergie durch den Gebäudestrombedarf ausgewertet, um die Ei-
gennutzung des PV-Stroms zu erfassen. Abbildung 5.1.2 zeigt grob den Umfang der Vergleichs-
studie; die Methodik wird im Folgenden detaillierter dargestellt.
W
H B
H B H B
K HBWW
K HBWW
K H KDHW
K
Klima: Klima:moderat, mediterran sonnig, warm
W
H B
H B H B
Grö
ße,
Leis
tun
gG
röß
e,Le
istu
ng
Bedarf
Solarthermisch
Referenz,Referenz + PV
(netzgekoppelt)
Konzentrierende Kollektoren,
zweistufige AKM
Bilanzierung:- Stromverbrauch,- Gasverbrauch,- Primärenergie- CO2 Emissionen- Lebenszykluskosten (20 a) H B
H B H B
H
BWW
Fraunhofer ISE
A
A
C+
C
C
C
C
C+ C+
C+
B
B
B+ B+
B+B+
Konzentrierende Kollektoren,
zweistufige TKM
Abbildung 5.1.2 Schematische Darstellung des Umfangs der Vergleichsstudie. Für drei Anwendungsar-ten A, B und C werden solarthermisch unterstützte Kälte- und Wärmeversorgungen der Referenz und der Option Referenz+PV gegenübergestellt. Die Anwendungsarten repräsentieren drei verschiedene Gebäudear-ten. Die Anwendungsart B+ und C+ unterscheidet sich dabei in der Gebäudegröße bzw. erforderlichen Ver-sorgungsleistung von den Anwendungen B und C (+: vergrößertes Gebäude; leicht unterschiedlicher Lastver-lauf wegen Lüftungssystem). Die Anwendung wird jeweils in verschiedenen Klimaten untersucht; in sehr sonnigen Klimaten (zwei Standorte) wird konzentrierende Kollektortechnik mit zweistufigen thermisch be-triebenen Kältemaschinen (TKM) angenommen. Es werden – je nach Anwendungsart – unterschiedliche Wärmelasten der Gebäude gedeckt:
A: Kühlen (K), Heizen (H), Brauchwarmwasser (BWW) B: Kühlen, Heizen C: Kühlen, Heizen, erhöhter BWW-Bedarf.
Die Anwendungsart A wird durch ein Mehrfamilienwohngebäude repräsentiert, B durch ein Bürogebäude und C durch ein Hotelgebäude. Die Anwendungsarten können auch andere Nutzungen vertreten, z.B. könnte C auch einen Klinikbereich darstellen mit ähnlich hohem BWW-Bedarf. Für jede Option wird eine Energie- und Kostenbilanz für einen 20-jährigen Betriebszyklus rechnerisch er-stellt.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 59
5.2 Methodischer Ansatz
Den prinzipiellen Ablauf der Rechnungen zur Vergleichsstudie zeigt Abbildung 5.2.1. Grund-
sätzlich erfolgt die Berechnung der Systemzustände in jedem Zeitschritt der Simulation ent-
koppelt von der Berechnung der Gebäudelasten; diese wurden getrennt von der Systemsimula-
tion vorher bestimmt. In der Systemsimulation wird dann die Energiebilanz zur Deckung des
Bedarfs in Abhängigkeit der Systemparameter, z.B. der Größe der Solarthermie-Anlage, des Kol-
lektortyps, der Art der thermisch betriebenen Kältemaschine usw., ermittelt.
Abbildung 5.2.1 Ablauf der Rechnungen in der Vergleichsstudie. Ausgangspunkt bildet die Festlegung der Standorte, für die die Anwendungsarten untersucht werden sollen. Für jede Anwendungsart wird ein Ge-bäudemodell erstellt und je Standort die Lastzeitreihe (Kühlen, Heizen) berechnet. Dazu wird auch für die Anwendungsarten A und C, C+ ein BWW-Lastprofil generiert. Die Systemsimulation nutzt die Lastdateien sowie die Komponenten- und Anlagenmodelle zur Berechnung von Jahreswerten (Kosten, Energiebilanz) und Zeitreihen (Elektroenergiebedarf, Stromaustausch mit dem Netz) für jede Anwendungsart, Konfigurati-on und für jeden Standort. Anschließend werden die unterschiedlichen Optionen ST, Ref+PV mit der Option Referenz verglichen.
5.2.1 Standorte
Für den Systemvergleich wurden einige klimatisch repräsentative Standorte in Europa sowie
zusätzlich zwei sonnenreiche und warme Standorte (Türkei, Nordafrika) gewählt.
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 60
Zur grundsätzlichen klimatischen Differenzierung der Standorte können effektive Klimaklassi-
fikationen herangezogen werden, die auf Berücksichtigung regionaler Hauptmerkmale beruhen
(Temperaturen, Wasserhaushalt, Vegetation etc.). Hier gibt es unterschiedliche Nomenklaturen;
bekannt und häufig verwendet sind beispielsweise die Einteilungen nach Köppen1 sowie nach
Troll und Paffen2.
Allerdings zeigen die Klassifikationen
wenig Differenzierung innerhalb Mitteleuropas; Deutschland wird z.B. nur von einer Kli-
mazone umfasst;
dass der Schwerpunkt der Klassifizierung auf Temperaturen, Feuchte und anderen Merk-
malen beruht, die Einstrahlung aber nicht direkt in die Klassifizierung eingeht.
Im betrachteten Anwendungsbereich Mittel- und Südeuropa sind nach Köppen zwei Hauptkli-
mazonen vorherrschend:
• Klimatyp Cfb – warmgemäßigtes Klima; immerfeucht, warme Sommer;
• Klimatyp Csa – warmgemäßigtes Klima; sommertrocken, warme Sommer.
Der Klimatyp Csa ist auch in der Küstenregion Nordafrikas, etwa von Tunis bis Marokko, vor-
herrschend. Im weiteren Inland (Algerien, Marokko) findet sich der Klimatyp
• BWh (trockenes Klima; heißes Wüstenklima);
• BSk (trockenes Steppenklima, kalt)
Im Wesentlichen deckt sich diese Klassifikation mit der Klimazoneneinteilung nach Troll und
Paffen; hier sind die entsprechenden Klimate
• Klimatyp III – kühlgemäßigte Zonen
Unterkategorie 3: subozeanisches Klima, milde/mäßig kalte Winter, mäßig warme lange
Sommer,
Unterkategorie 2: ozeanisches Klima, milde Winter, mäßig warme Sommer;
• Klimatyp IV – warmgemäßigte Zonen
Unterkategorie 1: winterfeuchte, sommertrockenes Mediterranes Klima,
Unterkategorie 2: winterfeuchte, sommerdürre Steppenklimata,
Unterkategorie 5: Halbwüsten- und Wüstenklima.
Für die Vergleichsstudie wurden schließlich fünf europäische Standorte für die Analyse solar-
thermischer Kühlverfahren mit einstufiger Kältetechnik und nicht-konzentrierender Kollektor-
technik ausgewählt (Freiburg/DE, Toulouse/FR, Madrid/ES, Palermo/IT, Athen/GR) sowie die
Standorte Antalya/TR und Bechar/DZ für die Analyse solarthermischer Verfahren mit konzen-
trierender Kollektortechnik und zweistufiger Absorptionskältetechnik. Anhang A5.2 enthält
weitere Informationen zu den gewählten Standorten.
1 M. Kotteck et al.: World Map of Köppen-Geiger Climate Classification, 2006. http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at (2009)
2 Einen Überblick über Klimaklassifikationen gibt der Klett-Verlag unter http://www.klett.de und http://klett.de/sixcms/list.php?page=geo_infothek&node=Klimazonen&article=Infoblatt+Klimaklassifikationen (Feb-ruar 2011)
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Abbildung 5.2.2 Standorte für die Vergleichsrechnungen solare Kühlung in Gebäuden. Links: Standorte für solarthermische Systeme mit einstufiger Kältetechnik und stationärer Kollektortechnik (Freiburg, Tou-louse, Madrid, Palermo, Athen). Rechs: Standorte mit 2-stufiger Absorptionskältetechnik und konzentrieren-den Kollektoren (Antalya, Bechar).
Die Auswahl erfolgte anhand der Klimaregionen und auf Basis der Einstrahlungserträge und
der Einstrahlungsverteilungen und –häufigkeiten, um eine hohe Bandbreite mit einer begrenz-
ten Anzahl von Standorten abzubilden.
Für die Auswahl wurden Wetterdaten aus der meteorologischen Datenbasis METEONORM3 mit
stündlicher Zeitauflösung für jeden Standort für jeweils ein Jahr generiert. Diese Daten wurden
auch für die Berechnung der Gebäudelastdaten und für die Systemsimulationen verwendet.
5.2.2 Anwendungen
Grundsätzlich wird in der Vergleichsstudie zwischen drei unterschiedlichen Anwendungsarten
unterschieden, die die Laststruktur und damit den Betrieb der thermischen Gebäudeversor-
gung prägen. Die thermischen Lasten in den Anwendungen setzen sich zusammen aus den in-
ternen Lasten (Anzahl und Belegungszeitprofil der Nutzer und durch Geräteeinsatz) und aus
den äußeren Lasten (Wärmedurchgänge durch die Gebäudehülle). Letztere sind standortab-
hängig, d.h., für jede Anwendungsart wurde eine Lastzeitreihe für jeden betrachteten Standort
erstellt.
Anwendungsart A
Ein Gebäude, das tagsüber und verstärkt nachmittags und abends genutzt wird. Als Modell
diente ein Mehrfamilienwohnhaus mit sechs Wohneinheiten. Brauchwarmwasserbedarf ist ge-
geben. Die Gebäudekühlung verlangt Installationen im kleinen Kühlleistungsbereich < 30 kW
(standortabhängig).
Anwendungsart B
Ein Gebäude, das hauptsächlich tagsüber und wochentags belegt ist. An den Wochenenden sind
höhere Solltemperaturen im Gebäude zugelassen. Es existiert keine zentrale Brauchwarmwas-
serversorgung. Als Modell diente die Etage eines Bürogebäudes. In der Simulation wird die An-
wendung noch aufgeteilt in
3 METEONORM - Datenbank zu meteorologischen Grundlagendaten. Meteotest, Bern, Schweiz
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 62
B kleine Gebäudeeinheit mit zwei Etagen; kein zentrales Lüftungssystem. Es treten Kühl-
lastspitzen < 50 kW auf (standortabhängig);
B+ größere Gebäudeeinheit mit acht Etagen; zentrales Lüftungssystem. Es treten Kühllast-
spitzen > 100 kW auf (standortabhängig).
Anwendungsart C
Ein Gebäude, das ganztägig und an jedem Wochentag, aber mit Schwerpunkt abends belegt ist.
Als Modell wurde eine Hoteletage verwendet. Ein erhöhter Brauchwarmwasserbedarf ist gege-
ben. In der Simulation wird die Anwendung noch aufgeteilt in
C kleine Gebäudeeinheit mit zwei Etagen; kein zentrales Lüftungssystem. Es treten Kühl-
lastspitzen < 40 kW auf (standortabhängig);
C+ größere Gebäudeeinheit mit acht Etagen; zentrales Lüftungssystem. Es treten Kühllast-
spitzen > 80 kW auf (standortabhängig).
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Stu
nd
enm
itte
l des
Jah
res
/ P
mit
tel
Stunde des Tages
Madrid; mittleres Tagesprofil der Kühllast A
B+
C+
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.2.3 Mittlerer jährlicher Tagesgang der Kühllast für den Standort Madrid. Zu jeder Stunde des Tages wurde die mittlere Kühllast berechnet. Die Werte sind normiert auf den Jahresmittelwert der ge-samten Kühllast.
Die Gebäudemodelle wurden in TRNSYS4 erstellt. Die abgebildeten Gebäudehüllen entsprechen
gutem Baustandard etwa entsprechend der ENEV 2009, erfüllen aber keine weitergehenden
Forderungen wie z.B. Passivhausstandard. Für jeden Anwendungstyp und zu jedem Standort
wurde eine Lastzeitreihe mit stündlichen Heiz- und Kühllasten eines Jahres generiert. Die Be-
rechnung des Wärmebedarfs für die Brauchwarmwasserbereitung erfolgte mittels des Pro-
4 TRNSYS - Transient system simulation environment. Entwickelt am Solar Energy Laboratory der University of Wisconsin, Madison USA. http://sel.me.wisc.edu/trnsys/
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gramms DHWcalc5. Damit lässt sich der Warmwasserbedarf einer Anwendung statistisch um
ein vorgegebenes tägliches Grundmuster verteilen, um eine angemessene Dynamik des Zapf-
profils zu erreichen. Die Zeitauflösung in den Zeitreihen der Warmwasserzapfprofile beträgt
10 Minuten. Tabelle 5.2.1 gibt einen Überblick über die Kühl- und Heizlasten in den unter-
schiedlichen Anwendungen und Standorten.
A B B+ C C+
6 Einheiten 2 Etagen 8 Etagen 2 Etagen 8 Etagen
Nutzfläche [m²] 540 520 2080 604 2416
Hei
zen
Kü
hle
n
Hei
zen
Kü
hle
n
Hei
zen
Kü
hle
n
Hei
zen
Kü
hle
n
Hei
zen
Kü
hle
n
Standort, Klimaregion
a) Köppen b) Troll/Pfaffen
Spezifische Last (Jahr) [ kWh /m²*a ]; Spitzenlast [ kW ]
Freiburg (DE) a) Cfb b) III,3
35.6
28
19.6
17
49.7
48
29.3
38
40.7
181
31.6
153
85.4
42
15.2
23
57.4
142
19.4
94
Toulouse (FR)
a) Cfb b) III,2
16.0
24
30.4
22
26.4
44
43.6
36
20.4
163
46.0
149
52.6
38
25.9
27
33.2
125
30.3
113
Athens (GR) a) Csa b) IV,1
1.9
16
52.6
24
6.3
32
70.3
45
4.0
126
71.5
179
20.8
29
49.9
31
10.7
92
52.6
125
Palermo (IT) a) Csa b) IV,1
< 1
7
62.0
25
2.0
20
78.1
45
1.1
70
80.9
180
11.1
21
61.2
34
4.6
62
65.5
134
Madrid (ES) a) BSk/Csa b) IV,1
11.5
21
40.6
22
21.2
41
52.0
37
16.0
155
53.0
149
44.8
35
32.4
26
27.5
115
35.2
106
Antalya (TR) a) Csa b) IV,1 n.b. n.b.
4.4
27
75.8
46
2.8
104
76.4
183
17.1
24
55.8
37
8.7
78
58.4
148
Bechar (DZ) a) BWh b) IV,5 n.b. n.b.
6.4
33
93.4
40
4.6
128
91.0
148
19.6
32
69.4
30
10.8
104
67.5
109
Tabelle 5.2.1 Spezifische Heiz- und Kühllasten in den Anwendungen sowie die Spitzenlasten. Hinzu kommt ein Wärmebedarf für die Brauchwasserbereitung: ca. 20 kWh/m²*a in der Anwendungsart A und ca. 50 kWh/m²*a in der Anwendungsart C und C+. Kein Brauchwarmwasserbedarf in Anwendung B, B+.
n.b.: an diesen Standorten nicht berücksichtigt.
Weitere Details zu den Anwendungsarten sind in Anhang A5.3 aufgeführt. Dort finden sich auch
die spezifischen Kühl- und Heizlasten zu jeder Anwendungsart und zu jedem Standort. Abbil-
dung 5.2.3 zeigt exemplarisch für den Standort Madrid den mittleren täglichen Kühllastverlauf,
5 U. Jordan, K. Vajen: Handbuch zum Programm DHWcalc – Werkzeug zur Generierung von Trinkwasser-Zapf-profilen auf statistischer Basis. Version 1.10, 2003. Das Programm ist beziehbar unter www.uni-kassel.de/~solar
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 64
gebildet aus dem Jahresmittel zu jeder Stunde, für die Anwendungsarten A, B+ und C+. Die ge-
samte thermische Gebäudelast wird weiter durch den Heizbedarf (anwendungs- und standort-
spezifisch) und durch die je nach Anwendungsart unterschiedlichen Brauchwarmwasserlasten
bestimmt.
Eine weitere Anwendungsart der solaren Kühlung besteht in der Integration in Kältenetze. Die-
ser Aspekt wird nicht in den nachfolgend dargestellten Modellrechnungen erarbeitet, aber qua-
litativ in Anhang A5.8 kurz dargestellt, wobei Erkenntnisse aus den Wirtschaftlichkeitsabschät-
zungen im Gebäudebereich einfließen.
5.2.3 Systemkonfigurationen
Die betrachteten Systemkonfigurationen unterscheiden sich hinsichtlich der Kältetechnik, der
Wärmeversorgungstechnik (mit Nutzung fossiler Energiequellen) und der solarthermischen
Kollektortechnik. In den Standardkonfigurationen wird die Wärmeversorgung – abgesehen
vom solarthermischen Kollektorfeld – von einem Erdgas-Brennwertkessel übernommen. In den
solarthermischen Varianten wird dabei durch die Wahl der hydraulischen Anordnung verhin-
dert, dass Wärme aus dem Gaskessel der thermisch betriebenen Kältemaschine zugeführt wird.
Die TKM wird somit immer nur mit solarer Wärme versorgt. Zusätzlicher Kältebedarf wird über
konventionelle Kompressionskältetechnik mit Kaltwasser gedeckt.
Abbildung 5.2.4 fasst die Hauptkomponenten in den Varianten ST, Referenz und Ref+PV zusam-
men. Die konventionelle Wärmeversorgung ist dabei in allen drei Varianten immer gleich, also
z.B. Brennwertkessel in allen miteinander verglichenen Optionen. In der Kälteversorgung ist
dies unterschiedlich: die solarthermische Variante besitzt – sofern nicht solarthermisch auto-
nome Kühlung untersucht wird (ohne Kälte-Backup) – aus systemtechnischen Gründen immer
eine Kompressionskältetechnik auf Kaltwasserbasis als Kälte-Backup. Die Varianten Referenz
und Ref+PV hingegen enthalten im kleinen Leistungsbereich Split-Systemtechnik, im großen
Kälteleistungsbereich (B+, C+) wird Kaltwassertechnik angenommen. Der Einbau von Split-
Geräten anstelle von Kaltwassertechnik im kleinen und mittleren Leistungsbereich entspricht
der Marktsituation. Weitere Details zu den Konfigurationen finden sich in Anhang A5.4.
In jeder solarthermischen Konfiguration werden innerhalb jeder Anwendung und für jeden
Standort die folgenden Parametervariationen durchgeführt:
An den europäischen Standorten (stationäre Kollektortechnik, einstufige TKM) wurde je-
weils eine Rechnung mit Absorptionskältetechnik und mit Adsorptionskältetechnik durch-
geführt;
An den europäischen Standorten wurde jeweils ein stationärer Flachkollektor und ein Vaku-
umröhrenkollektor im System untersucht. Dabei erfolgte in den Standardkonfigurationen
eine Flächenvariation6 von 3 bis 6 m² je kW installierter Nennkälteleistung PTKM der ther-
misch angetriebenen Kältemaschine (Flachkollektor) bzw. von 2.5 bis 5.5 m² je kW PTKM (Va-
kuumröhrenkollektoren). Die Schrittweite der Variation betrug 1 m²/kWP_TKM. In den Varian-
ten mit kleiner dimensionierter TKM (s. Abschnitt 5.3.1, Einfluss TKM-Auslegung) wurde die
6 In der Vergleichsstudie wird als Kollektorfläche immer die Aperturfläche verwendet.
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spezifische Fläche in den Anwendungen C+ bis 8 m² je kW PTKM erweitert, damit der Brauch-
warmwasserbedarf noch zu genügend hohen Anteilen solarthermisch gedeckt wird.
AbsorptionH2O-LiBr
einstufig
AbsorptionH2O-LiBr
zweistufig
Adsorption
Brennwert-kessel
Luft-Wasser-WP
Rev. Luft-Wasser-WP
Luft-gekühlter
Kaltwasser-satz
Kein Backup
Flach-kollektor
Vakuum-röhren-
kollektor
Konzen-trierender Kollektor
TKMWärme-Backup
Kälte-Backup
Kollektor
Brennwert-kessel
Luft-Wasser-WP
Rev. Luft-Wasser-WP
Luft-gekühlter
Kaltwasser-satz
Multi-Split-System
Multi-kristallineModule, Wechsel-
richter
Wärme-quelle
Kälte-system
PV
Solarthermisches System Referenzsystem (+ PV)
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.2.4 Hauptkomponenten der Systemkonfigurationen, die in der Vergleichsstudie untersucht wurden. Konfigurationen mit den Komponenten Absorption, zweistufig und konzentrierender Kollektor sind nur Konzepte für sehr sonnenreiche und warme Klimate (zwei Standorte in der Vergleichsstudie: Antalya und Bechar).
Abbildung 5.2.5 zeigt schematisch die Verzweigung in der Simulation der solarthermischen
Konfigurationen. In Voruntersuchungen wurde die geeignete Größe des Heißwasserspeichers,
des Brauchwarmwasserpuffers und eines kleinen Kaltwasserpuffers festgelegt; diese sind im
Volumen fest an die Anlagengröße gekoppelt: Volumen des Heißwasserspeichers: 35 Liter pro
m² Kollektorfläche; Volumen des Brauchwarmwasserspeichers: 7.5 Liter pro kW Kesselleis-
tung.
Auslegung der Versorgungssysteme
Wärmeversorger (GK, WP):
In Konfigurationen ohne Wärmespeicher (Referenz, Ref+PV) ist die Nennleistung gleich
der max. Heizlast in der Anwendungsart und am untersuchten Standort; in Konfiguratio-
nen mit Wärmespeicher (solarthermisch) wird die Nennleistung auf die Heizlast ohne die
ersten 10 höchsten Laststunden des Jahres ausgelegt.
Besteht zusätzlich Brauchwarmwasserbedarf (Anwendung A, C und C+), erhöht sich die
Kesselnennleistung (bzw. WP-Leistung) um zusätzlich 9 kW in der Anwendung A und um
11 kW je Etage in den Anwendungen C und C+.
Kälteversorger KKM:
Die elektrisch betriebene Kompressionskältetechnik in der Referenz, Ref+PV ist auf die
Jahreshöchstlast ausgelegt. Als Backup in Konfigurationen ST auf 75 % der Jahres-
höchstlast (wegen Kältepuffer in dieser Konfiguration).
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Kälteversorger TKM:
Die Nennkälteleistung der thermisch betriebenen Kältetechnik ist in der Standardausle-
gung in Konfiguration mit Kälte-Backup auf 75 % der Jahreshöchstlast ausgelegt; in Kon-
figurationen ohne Kälte-Backup auf den Kühllastbedarf ohne die 10 höchsten Laststun-
den in der Jahresdauerlinie (11. Wert in der Dauerlinie).
In Vorberechnungen wurden die Dimensionierungsvorgaben überprüft; eine Beschränkung des
Raumkomforts in solarthermischen Varianten mit Kälte-Backup erfolgte nicht. In solarthermi-
schen Varianten ohne Kälte-Backup (in den Anwendungen A und B) wurden nur Auslegungen
weiterverfolgt, in denen mindestens 70 % der Jahreskühllast im Gebäude durch die ausschließ-
lich solarthermische Kühlung gedeckt wurden.
Standort 1
Absorption Adsorption
FK VRK FK VRK
Anwendung
….
Größe
Standort 2
…. Größe Fraunhofer ISE
Abbildung 5.2.5 Hauptkomponenten der Systemkonfigurationen in der Vergleichsstudie. Konfiguratio-nen mit den Komponenten 2-stufige Absorption und konzentrierender Kollektor sind nur Konzepte für sehr sonnenreiche und warme Klimate (zwei Standorte in der Vergleichsstudie: Antalya und Bechar). FK= Flach-kollektor, VRK= Vakuumröhren-Kollektor.
5.2.4 Modellierung und Simulation
Sowohl die Gebäudemodellierung und –simulation als auch die Modellierung und Simulation
der Systemkonfigurationen wurde in TRNSYS durchgeführt. Die Kollektormodelle wurden da-
bei der Standard-Komponentenbibliothek des Programms entnommen, die Modelle der Kälte-
maschinen wurden unter anderem in Zusammenarbeit mit ZAE Bayern und dem ILK Dresden
aufgestellt. Die Modelle der Hauptkomponenten sind in Anhang A5.6 kurz beschrieben.
Jede Systemsimulation umfasst einen Zeitraum von einem Jahr; Eingangsdaten sind die Last-
zeitreihen der Gebäude, des Brauchwarmwasserbedarfs und die meteorologischen Daten (Zeit-
auflösung in den Eingangsdaten siehe Abbildung 5.2.1).
Für die Systemsimulation wurde das Makro-Konzept in TRNSYS genutzt. Teile des Gesamtsys-
tems werden dabei in Makros abgebildet; aus diesen Makros lassen sich dann die unterschiedli-
chen Konfigurationen zusammenfügen (s. Abbildung 5.2.6). Vorteil ist, dass bei Änderungen in
einem der Makros diese Änderungen automatisch in allen Konfigurationen mit dem gleichen
Makro übernommen werden.
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In jeder Systemsimulation werden die wichtigsten Wärmeflüsse bilanziert und in jedem Zeit-
schritt der Elektroenergiebedarf der stromaufnehmenden Komponenten berechnet. Ein Bei-
spiel über die virtuellen Messstellen gibt Anhang A5.5.
Abbildung 5.2.6 Beispiel für den Aufbau einer Systemkonfiguration aus Makros in TRNSYS. Oben: das Kollektor-Makro (links) enthält die Komponenten des Kollektorkreises ohne Speicher (rechts). Unten: ein Ge-samtsystem setzt sich aus mehreren Makros mit definierten Schnittstellen zusammen.
5.2.5 Referenz + PV
In den solarthermischen Varianten ST ist die sinnvolle Größe des Solarkollektorfeldes an die lo-
kale Verwertungsmöglichkeit der solaren Wärme gekoppelt; eine Einspeisemöglichkeit der
überschüssigen Wärme etwa in Wärmenetze ist bisher wenig gegeben und wird hier nicht be-
trachtet.
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In den Varianten Referenz+PV ist die Auslegung des PV-Generators nicht eindeutig gegeben, da
der technisch einfache Ansatz der Netzkopplung betrachtet wird. Im Prinzip kann - Flächenver-
fügbarkeit vorausgesetzt – die Nennleistung des PV-Generators beliebig gewählt werden. Dem
stehen allerdings hohe Unsicherheiten bezüglich zukünftiger Einspeisevergütungen und der
Rahmenbedingungen der Einspeisung in das öffentliche Stromnetz entgegen. Auf der anderen
Seite zeichnet sich für den Endverbraucher durch die stark gefallenen Kosten des PV-Stroms
eine erhöhte Attraktivität der bilanzierten Eigennutzung7 des lokal generierten PV-Stroms und
damit einer Verringerung des Strombezugs aus dem Netz ab. Dies ist insbesondere der Fall,
wenn über einen längeren Betrachtungszeitraum mit kontinuierlich steigenden Strompreisen
gerechnet wird.
Aus der Sicht der Netzstabilität und Netzdienlichkeit könnten weitere Randbedingungen für ei-
ne optimale PV-Größe abgeleitet werden, etwa durch Berücksichtigung zeitvariabler Einspeise-
tarife. Diese Betrachtungsebene ist allerdings sehr komplex und wird hier nicht weiter verfolgt.
In der Vergleichsstudie wird daher der folgende Ansatz betrachtet:
Die Nennleistung des PV-Generators in den Varianten Referenz+PV beträgt 50 % der
elektrischen Nennleistungsaufnahme des Kompressionskälteaggregats (Nennkälteleis-
tung / EERNom). Damit werden in der Regel > 70 % des PV-Stroms zeitgleich im Gebäude
direkt aufgenommen für Klimatisierungsaufgaben und zur weiteren Gebäudenutzung;
Primärenergie und CO2 werden eingespart durch die Eigennutzung des lokal erzeugten
PV-Stroms (Vermeidung von Strombezug) sowie durch Einspeisung der Überschüsse
ins Stromnetz (Substitution von Netzstrom);
Kosten werden eingespart durch Vermeidung von Strombezugskosten. Eine Einspeise-
vergütung wird nicht betrachtet, da generell Fördermaßnahmen nicht in der Vergleichs-
studie angesetzt werden.
Wie in den Optionen ST werden die umweltrelevanten Einsparungen und die Kosten der Ein-
sparungen (s. Abschnitt 5.2.6) mit der jeweiligen Referenz verglichen.
5.2.6 Bewertungsgrößen
Im Folgenden sind nur die wesentlichen Bewertungsgrößen aufgeführt, die in der zusammen-
fassenden Darstellung der Ergebnisse der Vergleichsstudie einfließen.
Leistungs- und Arbeitsgrößen, elektrisch betriebene Kältetechnik
Zur einheitlichen Darstellung werden in diesem Dokument die Begriffe EER (Energy Efficiency
Ratio) bzw. sEER (seasonal EER) für die leistungsbezogene und energiebezogene (saisonale) Ef-
fizienz der elektrisch betriebenen Kompressionstechnik verwendet:
7 Eigenverbrauch PV-Strom: Anteil des generierten PV-Stroms, der momentan direkt vom Gebäude (Klimati-
sierung + sonstige Verbraucher im Gebäude) aufgenommen werden kann. Übersteigt die PV-Leistung diesen Wert, wird die Differenzleistung ins Netz eingespeist. In EVASOLK wird der Eigenverbrauch in der Zeit-schrittweite von 60 Minuten bilanziert, dies ist die Zeitschrittweite in den meteorologischen Basisdaten.
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Leistungszahl EERKKM = _KKMElektrisch
Kälte_KKM
E
Q
[kW/kW],
Arbeitszahl sEERKKM = dtE
dtQ
T
_KKMElektrisch
T
Kälte_KKM
[kWh/kWh].
Rück-Kühler
trocken
Kompressions-Kältemaschine
E
QNutzkälteElektro-energie
Bilanzraum
Kompressor
E
QNutzkälteElektro-energie
Bilanzraum
Luft-kühler
QKälte_KKM steht dabei für die Nutzkältebereitstellung aus Kompressionskältetechnik und
EElektrisch_KKM für den Stromeinsatz. In kaltwassergeführten Systemen (Schemabild links) wird
der Stromverbrauch für die Kaltwasserverteilungspumpe immer bilanziert. Dies ist für den
Vergleich erforderlich, da in den Referenzsystemen kleiner Leistung von Multi-Split-Technik
ausgegangen wird (Schemabild rechts, Anwendungen A, B, C). Wenn dieser Stromverbrauch
mit in die Darstellung des sEER einfließt, so wird dies entsprechend vermerkt.
Verteilungsverluste im Kaltwassernetz sowie Stromverbrauch für die raumseitige Kältevertei-
lung (Umluftkühler usw.) sind nicht berücksichtigt, da sie stark gebäude- und netzabhängig
sind und im Vergleich zwischen thermisch und elektrisch betriebener Kühlung keine Rolle spie-
len (Annahme: gleiche Wärme-/Kälteverteilung in solarer Variante und Referenz).
Leistungs- und Arbeitsgrößen, thermisch betriebene Kältetechnik
Allgemein werden thermische Leistungs- und Arbeitszahl aus dem Quotienten von Nutzkälte-
bereitstellung und benötigter Antriebswärme gebildet. Bisher fand dabei überwiegend die Be-
zeichnung Coefficient of Performance (COP) Anwendung, in der oft nicht zwischen Leistungs-
und Arbeitsgrößen unterschieden wurde; dies ergab sich aus dem Zusammenhang in der Dar-
stellung.
Gegenwärtig finden Bemühungen statt, die Bezeichnungen zur Charakterisierung unterschied-
licher Techniken mit gleicher Zielsetzung – hier die Kältebereitstellung - zu vereinheitlichen. Im
Heat Pump Program der IEA8 werden dazu die folgenden Bezeichnungen vorgeschlagen:
Leistungs- und Arbeitszahl für Anlagen zur Nutzkältebereitstellung, unabhängig vom An-
triebsmedium: EER (Energy Efficiency Ratio) bzw. sEER (seasonal …)
8 Annex 34 Thermally Driven Heat Pumps for Heating and Cooling im Heat Pump Program der Internationalen
Energieagentur IEA. http://www.annex34.org/
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Leistungs- und Arbeitszahl für Anlagen zur Nutzwärmebereitstellung, unabhängig vom An-
triebsmedium: COP (Coefficient of Performance) bzw. sCOP (seasonal…).
Dieser Ansatz wird in EVASOLK aufgegriffen. Entsprechend lauten die Formulierungen für die
Charakterisierung thermisch angetriebener Kältebereitstellung:
Leistungszahl EERTKM = MAntrieb_TK
Kälte_TKM
Q
Q
[kW/kW];
Arbeitszahl sEERTKM = dtQ
dtQ
T
MAntrieb_TK
T
Kälte_TKM
[kWh/kWh].
Rück-Kühler
Ab- /Adsorptions-Kältemaschine
QNutzkälte
Bilanzraum, thermisch
QAntrieb
QKälte_TKM steht dabei für die Nutzkältebereitstellung aus dem thermisch betriebenen Kältepro-
zess. Zur Berechnung der Arbeitszahl wird in EVASOLK immer ein einjähriger Integrationszeit-
raum gewählt.
Bei (s)EERTKM handelt es sich um ein reines Wärmeverhältnis ohne Berücksichtigung des elek-
trischen Hilfsenergiebedarfs; es ist daher nicht mit dem (s)EER der Kompressionskältetechnik
vergleichbar, dies wird mit dem Zusatz …TKM gekennzeichnet. Der EERTKM stellt daher eine Teil-
bewertungsgröße dar.
Kennwerte des EERTKM für unterschiedliche Betriebsbedingungen werden hauptsächlich zur
Modellbildung herangezogen; die Arbeitszahl sEERTKM fließt dagegen in die Bewertung mit ein.
Analog lässt sich als weitere Teilbewertungsgröße der sEERTKM_el definieren, der auf den Elek-
troenergieeinsatz zum Betrieb der thermisch angetriebenen Kühlung bezogen ist:
el. Effizienzzahl sEERTKM_el = dtE
dtQ
T
ie_TKMHilfsenerg
T
Kälte_TKM
[kWh/kWh].
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Rück-Kühler
Ab- /Adsorptions-Kältemaschine
E
Elektro-energie
Bilanzraum
QNutzkälte
Solar Antrieb
Der Elektroenergieeinsatz umfasst elektrische Hilfsenergie für Pumpen9, Kältemaschine und Rückkühlung (s. Bilanzraum). Der Stromverbrauch für die Kaltwasserverteilungspumpe wird immer bilanziert; wenn dieser Stromverbrauch mit in die Darstellung des sEERTKM_el einfließt, so wird dies entsprechend vermerkt.
sEERTKM_el lässt Vergleiche mit dem sEERKKM der Kompressionskältetechnik hinsichtlich des
Elektroenergieeinsatzes zu und sollte deutlich oberhalb des letzteren liegen. Für eine umfas-
sende Bewertung müssen die Primärenergieaufwendungen der Gesamtsysteme herangezogen
werden, jedoch ist bereits absehbar, dass bei einem sEERTKM_el im gleichen Wertebereich des
sEERKKM im Referenzsystem ein energetischer Vorteil der thermisch angetriebenen Variante in-
frage gestellt ist.
Primärenergieeinsparung, CO2-Vermeidung
Die Primärenergieeinsparung in den regenerativ unterstützten Optionen (ST, Ref+PV) berech-
net sich aus
PEn = (PEn,Referenz – PEn,SolareVariante) [kWh],
mit PEn,v als Primärenergieaufwand in der Option v über den Zeitraum n (betrachteter Gesamt-
zeitraum in EVASOLK: Lebenszyklus LC=20 Jahre). Zur Berechnung des Primärenergieeinsatzes
wird der Aufwand an Strom und fossilen Energieträgern zur Deckung des Wärme-, Brauch-
warmwasser- und Kältebedarfs unter Verwendung landesspezifischer Konversionsfaktoren bi-
lanziert.
Da die solare Variante immer Primärenergie einsparen soll, ist PE stets > 0; andere Fälle wer-
den nicht betrachtet.
Die relative Primärenergieeinsparung im Zeitraum n ist dann
PEn,rel = PEn / PEn,Referenz .
9 Für die Berechnung des sEERTKM_el wird der Strombedarf der Solarkreispumpe nur dann berücksichtigt,
wenn Kühlbedarf vorliegt. Für die Erfassung des Primärenergieaufwands werden aber alle Stromaufwendun-gen berücksichtigt.
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PEn,rel kann Werte > 1 annehmen, wenn PEn,SolareVariante selbst negativ wird. Dies ist der Fall,
wenn z.B. ein PV-System mehr Primärenergie einspart als durch die versorgungstechnische
Einrichtung benötigt wird.
Die Vermeidung von Treibhausgasemissionen berechnet sich analog aus
EMn = (EMn,Referenz – EMn,SolareVariante) [kg],
mit EMn,v als CO2-Emissionsäquivalent in der Variante v über den Zeitraum n. Da die solare Va-
riante immer geringere CO2-Emissionen aufweisen soll, ist EM stets positiv; andere Fälle wer-
den nicht betrachtet.
Die relative Emissionsvermeidung im Zeitraum n ist dann
EMn,rel = EMn / EMn,Referenz .
Neben der Bilanzierung der Emissionen durch den energetischen Betriebsaufwand fließen in
den Optionen mit konventionellen Komponenten der Kältetechnik in die Berechnung des CO2-
Aufwands auch mittlere Kältemittelverluste mit ein, die sich aus einem jährlichen Verlustansatz
sowie aus einem Verlustansatz nach Lebensende der Komponente zusammensetzen. In Käl-
temittelverlustangaben gibt es eine große Streuung; die Ansätze in EVASOLK sind angelehnt an
mittlere Werte aus TEWI-Betrachtungen des Forschungsrats Kältetechnik:
Füllmenge
Kg Kältemittel
pro kWNennkälte
Verluste durch
Leckagen
% pro Jahr
Verluste bei
Entsorgung
%
Global Warming
Potential
GWP (100)
Kaltwassersatz 0.3 4 30 1300
Multi-Split 0.8 6 30 1300
Kombinierte Bewertungsgrößen
Die optimalen Systemkonfigurationen werden beurteilt nach der Höhe der Primärenergieein-
sparung (bzw. CO2-Vermeidung) und nach deren Kosten. Dabei ist eine kombinierte Bewer-
tungsgröße üblich, die energetische Einsparungen (Emissionsvermeidung) und Kosten zusam-
menfasst, beispielsweise die Kosten der Primärenergieeinsparung (bzw. CO2-Vermeidung).
Die Kosten der Primärenergieeinsparung KPELCC berechnen sich aus
KPELCC = KLCC / PELC [€/kWhPE],
mit KLCC = Lebenszykluskosten [ KLCC, Solare Variante – KLCC, Referenz ]
und PELC = Primärenergieaufwand [ PELC, Referenz – PELC, Solare Variante ].
Zunächst sind daher für jede Option die Lebenszykluskosten (Life Cycle Costs) KLCC zu berech-
nen, die die Summe der annuisierten Investitionskosten (einschl. Installations- und Planungs-
kosten), Betriebs- und Wartungskosten über den 20-jährigen Betrachtungszeitraum darstellen.
Im 20-jährigen Lebenszyklus fallen für Komponenten auf Basis von elektrisch angetriebener
Kompressionskälte(wärme)technik Erstatzkosten an, da für diese Komponenten eine Lebens-
dauer von 15 Jahren angenommen wird. Alle übrigen Komponenten: 20 a Lebensdauer.
Die Differenz zwischen der betrachteten solaren Option und den Lebenszykluskosten der zuge-
hörigen Referenz wird dann bezogen auf die erreichten Primärenergieeinsparungen im Be-
trachtungszeitraum. Damit verbleibt KPELCC > 0, wenn die Lebenszykluskosten der solaren Va-
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riante die Kosten der Referenz übersteigen (PELC ist immer > 0; andere Lösungen werden nicht
betrachtet). Mit KPELCC 0 erreicht die solar unterstützte Option wirtschaftliche Vergleichbar-
keit oder sogar Vorteilhaftigkeit gegenüber der Referenz.
Analog werden die Kosten der CO2-Vermeidung berechnet aus
KEMLCC = KLCC / EMLC [€/kWhPE],
mit KLCC = Lebenszykluskosten [ Solare Variante – Referenz ]
und EMLC = Emissionen [ Referenz – Solare Variante ].
Das Sortieren von Maßnahmen mit regenerativer Unterstützung nach Kosten der Primärener-
gieeinsparung oder nach CO2-Vermeidungskosten ist eine gängige Vorgehensweise, um die
wirtschaftlich am günstigsten erscheinenden Maßnahmen zu identifizieren, z.B. in [Vahlen-
kamp, 2007]. Es kann allerdings gezeigt werden, dass bei solchen günstig erscheinenden Maß-
nahmen (Kosten der PE-Einsparung bzw. Vermeidungskosten nach dieser Definition < 0) die
kombinierte Größe allein kein hinreichendes Entscheidungskriterium mehr darstellt [Hen-
ning, 2011] und eine sinnvolle Einordnung der Ergebnisse nicht mehr gewährleistet wird, da
ein Nutzen (Kostenvorteil) durch einen anderen Nutzen (PE-Einsparung, CO2-Vermeidung) di-
vidiert wird. So geht etwa bei der Angabe ausschließlich sehr niedriger Vermeidungskosten die
Information darüber verloren, dass unter Umständen nur sehr geringe PE-Einsparungen er-
reicht werden.
Es sind verschiedene Ansätze denkbar, eine geeignetere Bewertungsgröße zu definieren, die
diesem Nachteil Rechnung trägt. Eine ultimative Bewertungsgröße ist allerdings nicht theore-
tisch begründbar herzuleiten. In EVASOLK wird nach [Henning, 2011]; [BINE, 2009] die additi-
ve Kombination aus den dimensionslosen, relativen Kosten- und umweltbezogenen Einsparun-
gen angewendet:
F12 = [c1] + [c2],
F13 = [c1] + [c3],
mit
c1 = Referenz LCC,
vregenerati LCC,Referenz LCC,
K
K - K =
Referenz LCC,
vregenerati LCC,
K
K1 und
c2 = Referenz LC,
vregenerati LC,
PE
PE1 ,
c3 = Referenz LC,
vregenerati LC,
EM
EM1 .
c1 ist in dieser Definition < 0, wenn die solare Option höhere Lebenszykluskosten als die Refe-
renz versursacht. c2 und c3 sind wieder durch Auswahl von Lösungen mit wirksamer Primär-
energieeinsparung bzw. CO2-Einsparung stets positiv.
In dieser Formulierung können Mehrkosten der solaren Variante (negativ in der Definition von
c1) durch erhöhte positive Umwelteffekte (hoher Wert von c2, c3) kompensiert werden. Vorteil-
haft sind Lösungen, die zu Werten von F12 oder F13 > 0 führen. Primärenergieeinsparung und
Kosten sind hier gemäß der Definition gleichwertig behandelt bzw. gleichgewichtet. Denkbar ist
auch eine andere Gewichtung der einzelnen Terme nach ausgewählten Kriterien. In [Henning,
2012] werden Lebenszykluskosten und Primärenergieeinsparung nicht normiert, aber additiv
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durch eine monetäre Gewichtung der Primärenergieeinsparung (z.B. 0.05 €/KwhPE) verknüpft.
Damit erhält man eine direkte ökonomische Bewertungsgröße.
Qualitativ: Wechselwirkung mit dem Netz
In EVASOLK wird – neben der Vergleichsebene Kosten / Umwelteffekt – auch qualitativ die
Wechselwirkung mit dem Stromnetz zwischen den verschiedenen Optionen betrachtet. Eine
Analyse der physikalischen Auswirkungen auf Netzspannung und Netzfrequenz im lokalen
Netzknoten war im Rahmen des Projektes nicht darstellbar. Es wird daher auf einen Beurtei-
lungsparameter aus dem gebäudetechnischen Bewertungsansatz Net Zero Energy Buildings
NZEB [Voss, 2010] zurückgegriffen, der allerdings hier in einer für den Vergleich geeigneteren
Normierung Verwendung findet: mit dem Jahreswert des Netz-Interaktionsindex fNetz wird die
Fluktuation des Stromaustausches mit dem elektrischen Netz beschrieben. fNetz wird dabei be-
rechnet aus der Standardabweichung der Fluktuationen des Netzstromaustausches, bezogen
auf den Mittelwert der Netzbelastung.
fNetz = iNetz
i Netz,
|P|
P,
mit
PNetz,i = elektrische Leistung ( je nach Flussrichtung) im Zeitintervall i.
PNetz,i ist die Differenz aus [ Pel.Gebäudelast,i – PPV,i ]. Die elektrische Gebäudelast ist die Summe
aus elektrischer Endenergieeinsatz für Heizen, Kühlen, Brauchwarmwasser und aus sonstiger
Gebäudenutzung.
Der Netz-Interaktionsindex kann auch als Parameter zur Beurteilung des Netz-„Stresses“ be-
zeichnet werden: mit zunehmenden Amplituden des Netzstromaustausches steigt der Wert von
fNetz. Die Berechnung des Jahreswertes beruht auf Stundenwerten der Zeitreihen des Netz-
stromaustausches.
Solar-Load match
Mit der Größe Solar-Load match SL wird die zeitliche Übereinstimmung zwischen Solarstrah-
lungsangebot und der Kühllast einer Anwendung (z.B. Gebäudekühllast) quantifiziert. Die Defi-
nition von SL folgt einem Vorschlag von [Heydenreich, 1996], der in ursprünglicher Form zur
quantitativen Übereinstimmung zwischen PV-Stromerzeugung und Haushaltsstrombezug an-
gewendet wurde. Durch die Verwendung von lediglich der horizontalen Globalstrahlung und
der Kühllast wird SL unabhängig von der technischen Ausgestaltung des Kühlsystems oder der
solaren Konverter formuliert.
Mit QSolar,d und QLast,d als tägliche Einstrahlungs- bzw. Kühllastsumme erfolgt zunächst die Nor-
mierung der Einstrahlungsleistungen bzw. Kühllasten für jeden Zeitschritt eines Tages:
P*Solar(t) = PSolar(t) / QSolar,d | mit d=24 Stunden: dt(t)*P
d
Solar = 1
P*Last(t) = PLast(t) / QLast,d | mit d=24 Stunden: dt(t)*P
d
Last = 1.
Mit = dt (t)*P(t)*P Solar
d
Last errechnet sich der dimensionslose Solar-Load match:
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SL = 1 – 0.5 [-] .
Die Skizze veranschaulicht die Bedeutung von SL als Maß für die Übereinstimmung normierter
Zeitreihen der Globalstrahlung (horizontal) und Kühllast. Der Wertebereich reicht von 0 (voll-
ständige Antikorrelation) bis 1 (perfekte Übereinstimmung).
t [h]0 24
PSolar
PLast
Kühllast (normiert)
Globalstrahlung (normiert)
SL
Durch den Bezug auf die Tagesperiode werden mit SL tägliche Übereinstimmungen zwischen
Einstrahlung und Kühllast errechnet. Für größere Zeiträume, z.B. Monate, lassen sich Mittel-
werte aus den Tageswerten bilden.
In der Anwendung ist ein neben einer Bestimmung von SL mit Berücksichtigung des Zeitver-
laufs der Kühllast gegebenenfalls auch ein Vergleich mit einer zeitlich konstanten Last sinnvoll
zur besseren Einordnung der erzielten Ergebnisse. Abbildung 5.2.7 zeigt die Monatswerte
von SL für zwei Standorte.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
mu_SL_Monat mu_SL_Konstantlast_Monat
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
mu_SL_Monat mu_SL_Konstantlast_Monat
BürogebäudeFreiburg Palermo
Anwendung B
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.2.7 Vergleich der Monatsmittelwerte von SL in der Kühlsaison für die Anwendung B, Standorte Freiburg und Palermo. Zur Orientierung ist jeweils die Kurve für eine zeitlich konstante Last ein-getragen (rot).
In der Zusammenstellung der SL - Jahreswerte (Abbildung 5.2.8) ist erkennbar, dass in der Re-
gel die Anwendungen B und B+ die günstigste Übereinstimmung zwischen Kühllastprofil und
Einstrahlungsprofil aufweisen. Allerdings kann daraus nicht – wie ursprünglich erwartet – die
günstigste Anwendungsart für solarthermische Kühlung identifiziert werden; wie in den Er-
gebnissen später gezeigt wird, sind dazu weitere Voraussetzungen notwendig. Für die Option
Ref+PV ergeben sich aber durch die hohen Eigennutzungsanteile des PV-Stroms in diesen An-
wendungen deutliche Vorteile.
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0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Freiburg
Toulouse
Madrid
Athen
Palermo
Antalya
Bechar
_SL [ Jahreswert ]
A
B
B+
C
C+
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.2.8 Vergleich der Jahreswerte von SL in der Kühlsaison.
5.2.7 Kosten und Preise
Die Investitionskosten setzen sich aus Komponentenkosten, Installations- und Planungskosten
zusammen. Für die Hauptkomponenten wurden Preiskurven als Funktion der Komponenten-
größe bzw. –leistung den Modellrechnungen hinterlegt. Die Preiskurven wurden auf Basis vor-
handener Ansätze und aktueller Einzelpreis-Recherchen gebildet. Abbildung 5.2.9 zeigt die
verwendeten Preiskurven für thermisch angetriebene Kältemaschinen sowie die Einzeldaten
der Preisrecherchen, die teilweise erheblich streuen. Für Ab- und Adsorptionskältemaschinen
im Temperaturbereich > 0°C wurde eine gemeinsame Preiskurve abgeleitet. Für zweistufige
Absorptionskältemaschinen existieren nur Geräte ab ca. 200 kW Nennkälteleistung. In
EVASOLK wurde die Kurve extrapoliert auf kleinere Kälteleistungen, da in den Gebäudeanwen-
dungen B+, C+ die Nennkälteleistung bei ca. 100 kW lag. Weitere Preiskurven wurden ermittelt
für Kollektoren, Wärmeerzeuger, Kompressionskältegeräte, Rückkühlwerke (nass), PV-
Systeme.
Planungs-, Installations- und Wartungskosten sind als pauschaler Prozentsatz der Investitions-
kosten in die Rechnung eingeflossen:
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 77
% der Investkosten
Installation 20* (ST)
30 (Ref, Ref+PV)
Planung 10
Wartung 1 pro Jahr
Sonstige, %
Kapitalzins 5
Preissteigerung Strom 5 pro Jahr
Preissteigerung Gas 3 pro Jahr
* in der solarthermischen Option ist ein Teil der Installationskosten des Kollektorfeldes bereits im Kos-
tenansatz für die Aufständerung enthalten.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1 10 100 1000 10000
Euro
/ k
W
Nennkälteleistung [ kW ]
Thermisch angetriebene KältemaschinenRecherche 1; AbKM; > 0°C
Recherche 1; AdKM
Recherche 1; AbKM; < 0°C
Recherche 2; T > 0°C
Recherche 2; T < 0°C
Recherche 3; AbKM T > 0°C
Recherche 3; 2-stufig
Delphi, Task 38
Quelle: HfT Stuttgart
EVASOLK, 1-stufig, T > 0°C
EVASOLK, 2-stufig
EVASOLK, T < 0°C
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.2.9 Preiskurve für thermisch angetriebene Kältemaschinen (nur TKM-Komponente). Da-tengrundlage bilden Einzelrecherchen und Kostenkurven aus anderen Projektzusammenhängen. Die mit EVASOLK bezeichneten Kurven fanden in der Vergleichsstudie Anwendung. Aufgrund der geringen Preisan-gaben für Absorptionskältemaschinen im Temperaturbereich < 0°C (NH3/H2O) stellt die Kostenkurve für diese Komponente eine Schätzung dar.
Energiepreise für Strom und Gas sowie deren Konversionsfaktoren zur Berechnung des Pri-
märenergieaufwands und der CO2-Emission wurden länderspezifisch eingesetzt. Dabei wird un-
terschieden zwischen Energiepreisen für private Anwendungen (A) und gewerbliche Anwen-
dungen (B, B+, C, C+). Diese Basisdaten sind in Anhang A5.7 zusammengestellt.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 78
5.3 Ergebnisse
5.3.1 Standardkonfigurationen
Im folgenden Abschnitt werden Ergebnisse aus den Standardkonfigurationen der Vergleichs-
studie vorgestellt, d.h., Anwendungen mit einstufiger thermisch angetriebener Kältetechnik,
stationärer Kollektortechnik. Als Wärmeversorger in der Referenz, Ref+PV und als Backup in
der Variante ST dient ein Brennwertkessel. Zusätzlich enthält die Variante ST als Kälte-Backup
eine Kompressionskältemaschine. Eine schematisch einfache Darstellung der Konfigurationen
zeigt Abbildung 5.3.1 .
In den solarthermischen Konfigurationen ST wird jeweils eine Variation der Kollektorart, Kol-
lektorgröße und Art der thermisch angetriebenen Kältemaschine gerechnet. Entsprechend ent-
hält das Ergebnis zu jedem Standort und zu jeder Anwendung eine Schar von Ergebnissen. Ab-
bildung 5.3.2 zeigt als Beispiel Ergebnisse für die Anwendungsart A. Aus dieser Ergebnisschar
wird im Weiteren jeweils nur die günstigste Auslegung dargestellt, also das Ergebnis der Konfi-
guration, die zu minimalen Kosten der Primärenergieeinsparung führt. Führen unterschiedli-
chen Auslegungsgrößen des Kollektors zum Beispiel zu gleichen spezifischen Kosten, aber zu
unterschiedlichen Primärenergie- oder CO2-Einsparungen, wird die Auslegung mit dem höchs-
ten positiven Umwelteffekt gewählt.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 79
FK / VK
Elektrizität
fossilerBrennstoff
PECO2
PECO2 TKM Speicher
Solar
Heizen
Warm-wasser
Kühlen,entf.
Ab-wärme
Speicher
GK
Speicher
Rück-kühler
Rück-kühler
KKM
Kreislauf-pumpen
Ab-wärme
Umweltenergie
Anwen-dung
Aufwand
Wasser
(H)FKW:ja (KKM)
Umweltenergie
Wärmeträger
Endenergie
Hilfsstoffe
ST
Elektrizität
fossilerBrennstoff
PECO2
PECO2
Heizen
Warm-wasser
Kühlen,entf.
Ab-wärme
Speicher
GK
Rück-kühler
KKM
Kreislauf-pumpen
Umweltenergie
Anwen-dung
Aufwand
(H)FKW:ja (KKM)
Umweltenergie
Wärmeträger
Endenergie
Hilfsstoffe
Referenz
Elektrizität
fossilerBrennstoff
PECO2
PECO2
Heizen
Warm-wasser
Kühlen,entf.
Ab-wärme
Speicher
GK
Rück-kühler
KKM
Kreislauf-pumpen
Umweltenergie
Anwen-dung
Aufwand
(H)FKW:ja (KKM)
Solar
Wechselrichter
PV
Umweltenergie
Wärmeträger
Endenergie
Hilfsstoffe
Ref + PV
Abbildung 5.3.1 Vereinfachte Darstellung der Standardkonfigurationen, hier mit dem Versorgungsbe-darf Kühlen, Heizen und Brauchwarmwasser. Rechts sind die Untersuchungsstandorte angegeben.
Freiburg (DE)Toulouse (FR)Madrid (ES)Palermo (IT)Athen (GR)
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 80
Anwendung nStandort m
Anwendung nStandort m
Anwendung nStandort m
k Variationen (Kollektor, TKM)
Kostengünstigste Variante
Fraunhofer ISE
Solarthermische Optionen,Stand der Technik
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung A
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Sola
re D
ecku
ng,
hei
zen
+ B
WW
Solare Deckung, kühlen
Anwendung A
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
rel.
PE
-Ei
nsp
aru
ng
rel. CO2 - Vermeidung
Anwendung A
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
KP
E LC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung A
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.2 Ablaufschema zur Identifikation der günstigsten solarthermischen Lösungen. Die Teil-bilder zeigen Ergebnisse der Simulationsrechnungen für die unterschiedlichen Standorte am Beispiel der Anwendungsart A (mit Kälte-Backup). Es ergibt sich jeweils eine Ergebnisschar durch die unterschiedlichen Kollektortypen, Kollektorflächen und Art der TKM. Aus dieser Schar wird für jeden Standort die kostengüns-tigste Konfiguration herausgegriffen (ganz unten rechts) für den Vergleich mit den Rechnungen aus der Re-
ferenz und aus Referenz+PV.
Anwendungen A, B, C
Die folgenden Abbildungen zeigen die relativen Primärenergieeinsparungen, CO2-Vermeidun-
gen und deren spezifische Kosten (ST: nur Konfigurationen mit den minimalen Vermeidungs-
kosten). Die Grafiken enthalten den Vergleich zwischen den Optionen ST mit der Referenz sowie
den Vergleich mit den Optionen Referenz+PV mit der Referenz. Den Grafiken kann entnommen
werden:
In der Anwendung A führen die solarthermischen Optionen noch zu deutlichen Mehrkos-
ten gegenüber der Referenz im Vergleich zur Option Ref+PV; letztere führt in der Regel be-
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 81
reits zu Kosteneinsparungen. Allerdings sind in ST die relativen Einsparungen (PE und
CO2) höher als in Ref+PV. Diese Einsparungen erhöhen sich noch deutlich bei den solar-
thermischen Anwendungen ohne Kälte-Backup;
In der Anwendung B führen die solarthermischen Optionen zu sehr ausgeprägten Mehr-
kosten gegenüber der Referenz. Die Optionen Ref+PV weisen Kostenneutralität bzw. leichte
Kostenvorteile gegenüber der Referenz auf. Ebenfalls sind die PE-Einsparungen dieser Op-
tion höher als in ST. Nachteilig in der solarthermischen Option wirkt sich hier aus, dass
überwiegend elektrischer Strom substituiert wird (kein Brauchwarmwasser- und teils ge-
ringer Heizwärmebedarf); dies ist nicht ausreichend, um zu attraktiven Kosten zu gelan-
gen. In der Laststruktur von B tritt auch an den Wochenenden verringerter Kühlbedarf auf,
entsprechend sinkt die Ausnutzung des thermischen Kollektorsystems. Damit ist insgesamt
die Option Ref+PV auch primärenergetisch überlegen, allerdings nicht hinsichtlich der rela-
tiven CO2-Einsparungen;
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KEM
LCC
[ Eu
ro /
kg
CO
2]
rel. CO2 - Einsparung
Anwendung A ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7) Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KEM
LCC
[ Eu
ro /
kg
CO
2]
rel. CO2 - Einsparung
Anwendung A Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung A ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7) Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung A Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.3 Anwendung A. Standardkonfiguration mit Gaskessel und Kälte-Backup in den solar-thermischen Varianten. Grafiken links: jeweils Kosten der Primärenergieeinsparung über der relativen PE-Einsparung; Grafiken rechts: jeweils Kosten der CO2-Vermeidung über der relativen CO2-Vermeidung.
Oben: Standardkonfiguration mit Kälte-Backup in den solarthermischen Varianten; unten: ohne Kälte-Backup (nur Varianten, die zu einer Deckung der Kühllast > 70 % führen).
In der Anwendung C führen die solarthermischen Optionen zwar noch zu Mehrkosten ge-
genüber der Referenz, diese liegen aber an günstigen Standorten mit < 10 €-cent/kWhPE
deutlich niedriger als in den anderen Anwendungen. Kostenvorteile der Optionen Ref+PV
sind dennoch vorhanden. Aber die relativen Einsparungen der solarthermischen Optionen
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 82
sind hoch im Vergleich zu anderen Optionen. Dies ist eine Folge der hohen zusätzlichen
Nutzung des Kollektorfeldes für Brauchwarmwasserbereitung.
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
min
. KEM
LCC
[ Eu
ro /
kg
CO
2]
rel. CO2 - Einsparung
Anwendung B ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7)
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
min
. KEM
LCC
[ Eu
ro /
kg
CO
2]
rel. CO2 - Einsparung
Anwendung B Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung B ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7)
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung B Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.4 Anwendung B. Standardkonfiguration mit Gaskessel und Kälte-Backup in den solar-thermischen Varianten. Grafiken links: jeweils Kosten der Primärenergieeinsparung über der relativen PE-Einsparung; Grafiken rechts: jeweils Kosten der CO2-Vermeidung über der relativen CO2-Vermeidung.
Oben: Standardkonfiguration mit Kälte-Backup in den solarthermischen Varianten; unten: ohne Kälte-Backup (nur Varianten, die zu einer Deckung der Kühllast > 70 % führen).
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KEM
LCC
[ Eu
ro /
kg
CO
2]
rel. CO2 - Einsparung
Anwendung C Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung C Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.5 Anwendung C. Standardkonfiguration mit Gaskessel und Kälte-Backup in den solar-thermischen Varianten. Grafiken links: jeweils Kosten der Primärenergieeinsparung über der relativen PE-Einsparung; Grafiken rechts: jeweils Kosten der CO2-Vermeidung über der relativen CO2-Vermeidung.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 83
Tabelle 5.3.1 fasst die Jahresarbeitszahlen der Kälteversorgungskomponenten aus den Simula-
tionsrechnungen aller Varianten zusammen. Die erreichten Arbeitszahlen sind standortabhän-
gig sowie abhängig von der Konfiguration (Kollektortyp und –größe, TKM-Typ), daher ist in der
Tabelle die erreichte Bandbreite der Arbeitszahlen eingetragen. In den ST-Optionen führt z.B.
ein kleines Kollektorfeld an einem ungünstigen Standort zu nur geringen Betriebsstunden der
thermisch angetriebenen Kälteversorgung. Entsprechend wird dort auch der sEERel,total , der
den Quotienten aus gesamter Kälteerzeugung und gesamtem Elektroenergieeinsatz für die
thermisch und elektrisch betriebene Kälteversorgung darstellt, von der Arbeitszahl des Kälte-
Backups dominiert.
Option Referenz, Ref+PV ST
KKM: Multi-Split
KKM (Backup): Kaltwassersatz
TKM: AbKM, AdKM
TKM+KKM
EE
RK
KM
,no
m
sEE
RK
KM
EE
RK
KM
,no
m
sEE
RK
KM
sEE
RT
KM
sEE
RT
KM
,el
sEE
Rel
,to
tal*
Anwendung A 2.9 2.9 - 3.6 2.9 3.6 - 4.0 0.49 - 0.64 7.2 - 9.1 4.0 - 5.7
Anwendung A ohne Kälte-Backup
2.9 2.9 - 3.6 - - 0.49 - 0.65 6.9 - 9.3 5.2 - 7.2**
Anwendung B 2.9 2.8 - 3.5 2.9 3.4 - 4.0 0.51 - 0.67 7.5 - 10.2 4.4 - 7.5
Anwendung B ohne Kälte-Backup
2.9 2.8 - 3.5 - - 0.51 - 0.67 7.7 - 10.3 5.8 - 8.0**
Anwendung C 2.9 2.7 - 3.2 2.9 3.3 - 4.0 0.50 - 0.64 7.3 - 9.1 3.9 - 5.1
Tabelle 5.3.1 Kälteversorgung mit elektrischen Kompressionskälteaggregaten und mit thermisch an-getriebenen Kältemaschinen: EER-Nennwerte und saisonale thermische und elektrische Arbeitszahlen. In der letzten Spalte ist die gesamte elektrische Arbeitszahl der solarthermischen Varianten angegeben (Käl-teerzeugung / Summe Elektroenergieeinsatz für Kälteerzeugung thermisch und elektrisch). Die Bandbreite der Werte wird durch Standortabhängigkeit und durch die Konfigurations-Variationen geprägt. Bei gerin-ger Nutzung der TKM (z.B. durch zu kleinen Kollektor, wenig Volllast-Betriebsstunden) nähert sich der sEERel,total dem sEERKKM des Kälte-Backups an.
* einschließlich Kaltwasserverteilungspumpe
** keine KKM
Anwendungen B+, C+
Die spezifischen Kosten der Primärenergieeinsparung sind für die Anwendungen B+ und C+ in
Abbildung 5.3.6 über der relativen Primärenergieeinsparung aufgetragen. Die Grafiken enthal-
ten den Vergleich zwischen den Optionen ST mit der Referenz sowie den Vergleich mit den Op-
tionen Referenz+PV mit der Referenz.
In den Anwendungen B+ zeigen sich bedingt durch die gute Korrelation zwischen Stromerzeu-
gung und lokaler zeitgleicher Stromverwendung große Vorteile der Optionen Referenz+PV ge-
genüber den ST-Optionen sowohl in den Kosten als auch in der Höhe der Primärenergieeinspa-
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 84
rungen. Auch die relativen CO2-Vermeidungen sind in Ref+PV teilweise höher. Nachteilig in der
solarthermischen Option wirkt sich hier aus, dass überwiegend elektrischer Strom substituiert
wird (kein Brauchwarmwasserbedarf); dies ist nicht ausreichend, um zu attraktiven Kosten zu
gelangen. In der Laststruktur von B+ tritt auch an den Wochenenden verringerter Kühlbedarf
auf, entsprechend sinkt die Ausnutzung des thermischen Kollektorsystems. In der Option Refe-
renz+PV können relative PE-Einsparungen > 100% auftreten; dies bedeutet, dass die Primär-
energieeinsparung (durch Bezugsvermeidung el. Strom) den Primärenergieaufwand für die
Klimatisierung (Kühlen, Heizen und ggfs. BWW) überschreitet.
Sehr unterschiedlich dazu stellt sich die Situation in der Anwendung C+ dar. Durch die hohe
Substitution fossiler Brennstoffe zusätzlich für die Brauchwarmwasserbereitung ergeben sich
deutlich niedrigere Kosten in den solarthermischen Optionen; wenn auch noch nicht vergleich-
bar mit der Option Ref+PV. Zusätzlich sind in der solarthermischen Option die erreichten relati-
ven PE-Einsparungen und CO2-Vermeidungen deutlich höher. Die Ergebnisse sind tendenziell
sehr vergleichbar mit der Anwendung C (kleinerer Leistungsbereich, ähnliche Laststruktur).
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KEM
LCC
[ Eu
ro /
kg
CO
2]
rel. CO2 - Vermeidung
Anwendung C+
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
min
. KEM
LCC
[ Eu
ro /
kg
CO
2]
rel. CO2 - Vermeidung
Anwendung B+
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung B+
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung C+
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.6 Anwendungen B+ und C+. Standardkonfiguration mit Gaskessel und Kälte-Backup in den solarthermischen Varianten. Links: Kosten der Primärenergieeinsparung über der relativen PE-Einsparung. Rechts: spezifische CO2-Vermeidungskosten über der relativen CO2-Vermeidung.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 85
Option Referenz, Ref+PV ST
KKM: Kaltwassersatz
KKM (Backup): Kaltwassersatz
TKM: AbKM, AdKM
TKM+KKM
EE
RK
KM
,no
m
sEE
RK
KM
*
EE
RK
KM
,no
m
sEE
RK
KM
sEE
RT
KM
sEE
RT
KM
,el
sEE
Rel
,to
tal*
Anwendung B+ 3.0 3.5 - 3.9 3.0 3.7 - 4.1 0.51 - 0.67 7.5 - 9.0 4.7 - 7.0
Anwendung C+ 3.0 3.5 - 3.9 3.0 3.3 - 4.0 0.50 - 0.64 7.5 - 9.0 4.1 - 5.4
Tabelle 5.3.2 Kälteversorgung in den Anwendungen B+ und C+: EER-Nennwerte und saisonale ther-mische und elektrische Arbeitszahlen. Die Bandbreite der Werte wird durch Standortabhängigkeit und durch die Konfigurations-Variationen geprägt.
* einschließlich Kaltwasserverteilungspumpe
Einfluss der TKM-Auslegung
In den Anwendungen mit größerer Leistungsklasse ist die Möglichkeit gegeben, die Leistung
der thermisch betriebenen Kältetechnik nicht auf die Lastspitzen, sondern deutlich kleiner zu
dimensionieren. Den Rechnungen der oben gezeigten Ergebnisse lag die Auslegung der TKM-
Nennleistung auf 75 % der maximal auftretenden Kühllast zugrunde (s. Kapitel 5.2.3). Die Kühl-
lastspitzen treten jedoch nur in wenigen Stunden des Jahres auf; mit einer kleineren Auslegung
werden daher Investitionskosten eingespart, ohne dass dies zwangsläufig mit großen Einbußen
der solarthermischen Deckung des Kühlbedarfs einhergeht.
Abbildung 5.3.7 zeigt die Sinnhaftigkeit des Ansatzes am Beispiel der Anwendung C+: trotz ei-
ner Auslegung der TKM auf nur 33 % der maximalen Kühllast im Gebäude verringern sich die
PE-Einsparungen und CO2-Vermeidung nicht signifikant, aber die spezifischen Kosten der Ein-
sparungen sinken stark; im Einzelfall wird nahezu Kostenneutralität gegenüber der Referenz
erreicht. Die Auslegung der thermisch angetriebenen Kälteversorgung ist damit in großen An-
lagen mit Backup-System eine wichtige Steuergröße zur Kostensenkung.
Im aufgeführten Beispiel wurde zur Aufrechthaltung der solarthermisch gestützten Brauch-
warmwasserbereitung die Kollektorfläche in geringerem Umfang als die TKM-Größe reduziert.
Für den 20-jährigen Betrachtungszeitraum sind in Abbildung 5.3.8 die prozentuale Verteilung
der Lebenszykluskosten auf die Kostensparten Invest (einschl. Installation und Planung), War-
tung, Betriebskosten Strombezug und Bezug fossiler Wärmeträger sowie die Kostensparte
Wasser zur Rückkühlung dargestellt. Dabei sind die beiden Auslegungsvarianten der TKM mit
75 % bzw. 33 % (bezogen auf maximale Kühllast) enthalten. Im Vergleich zur Anwendung B+
hebt sich in der Anwendung C+ insbesondere der Kostenanteil durch den Einsatz fossiler
Brennstoffe für Brauchwarmwasserbereitung hervor. In der TKM-Auslegung 33 % steigen die
Kostenanteile Strombezug und Fossil durch den häufigeren Einsatz der Backup-Systeme im
Vergleich zur 75 %-Auslegung an, insgesamt verringern sich jedoch die absoluten Lebenszyk-
luskosten und führen zu den in Abbildung 5.3.7 gezeigten günstigeren Vermeidungskosten.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 86
Anwendung nStandort m
Anwendung nStandort m
Anwendung nStandort m
k Variationen (Kollektor, TKM)
Kostengünstigste Variante
Auslegung TKM(Verringerung Nennkälteleistung)
Fraunhofer ISE
Solarthermische Optionen,Stand der Technik
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung C+ ; PTKM 33% Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KEM
LCC
[ Eu
ro /
kg
CO
2]
rel. CO2 - Einsparung
Anwendung C+ ; PTKM 33% Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.7 Anwendung C+. Verringerung der Nennkälteleistung der thermisch angetriebenen Käl-temaschine auf 33 % der max. Kühllast (in Standardauslegung: 75 %). Links: Kosten der Primärenergieein-sparung über der relativen PE-Einsparung. Rechts: spezifische CO2-Vermeidungskosten über der relativen CO2-Vermeidung.
0
10
20
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st 2
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Inve
st 1
5a
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Stro
mb
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Foss
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ser
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szyk
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ost
en
Anwendung C+; Madrid
TKM: 75%
TKM: 33%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Inve
st 2
0a
Inve
st 1
5a
War
tun
g
Stro
mb
ezu
g
Foss
il
Was
ser
% d
er L
eben
szyk
lusk
ost
en
Anwendung B+; Madrid
TKM: 75%
TKM: 33%
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.8 Solarthermische Option: Anteile der Lebenszykluskosten (über den Zeitraum von 20 Jahren auflaufende Kosten) für den Standort Madrid; Anwendungen B+ (links) und C+ (rechts). Die Sum-me der Anteile beträgt jeweils 100%. In der Anwendung B+ verkleinert sich das Kollektorfeld linear mit der Verringerung der TKM-Leistung; in C+ fällt die Verkleinerung des Kollektorfeldes jedoch geringer aus, um noch genügend hohe Anteile des Brauchwarmwasserbedarfs zu decken (wirkt sich kostensenkend aus). Da-her ist hier der Unterschied in der Aufteilung der Investkosten 20a (beinhaltet Kollektorfeldkosten) zwischen den beiden Auslegungen 75 % und 33 % TKM-Größe gering.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 87
Einfluss der Investitionskosten von Kollektor und TKM
Die Investitionskosten im Bereich der solarthermischen Kühlung sind noch sehr hoch. In den
Hauptkomponenten Kollektorfeld und thermisch angetriebenes Kältesystem sind jedoch Kos-
tensenkungen denkbar und auch teilweise benannt. In [Albers, 2012] ist eine günstige Kosten-
prognose für eine neue Absorptionskältemaschine (> 50 kW Nennkälteleistung) enthalten,
wenn von einer Serienproduktion ausgegangen werden kann. In [Jakob, 2012] werden Zielvor-
stellungen zur Senkung der Systemkosten solare Kühlung um ca. 30 % erwähnt, in [BSW, 2012]
werden mittelfristig (2030) Kostensenkungen für das Kollektorsystem bis ca. 40 % prognosti-
ziert, realisierbar durch Technologiesprünge im Bereich der Kollektorentwicklung und durch
Kostensenkungen im Installationsbereich. Gleichzeitig wird auf internationaler Ebene an einer
verbesserten Qualitätssicherung und Standardisierung gearbeitet, die sich ebenfalls positiv auf
die Kostenseite auswirken sollen [IEA-SHC Task 48].
In der Vergleichsstudie wurden die Investitionskostensenkungen in folgender Weise eingesetzt:
Szenario S0: Ausgangslage
S1: Verringerung der Kollektorsystemkosten um -10 %
S2: Kollektorsystemkosten -10%, TKM-Systemkosten -25 %
S3: Kollektorsystemkosten -40%, TKM-Systemkosten -50 % .
Der Ansatz S3 ist damit ein sehr ausgeprägter Kostensenkungsansatz und voraussichtlich nicht
im Allgemeinen kurzfristig umsetzbar. Die anderen Ansätze sind hingegen eventuell schon ge-
genwärtig durch Preisabweichungen bzw. mittelfristig durch Marktentwicklungen realistisch.
Abbildung 5.3.9 zeigt die Auswirkungen der Annahmen für verschiedene Anwendungen an je-
weils zwei Standorten. Mit den Annahmen in S2 geraten einige Anwendungen bereits in die Nä-
he der Kostenneutralität gegenüber der Referenz; mit den Annahmen in S3 wird diese in der
Anwendung C+ erreicht bzw. unterschritten.
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
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0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
min. KLCC / Qth [ Euro / kWhQ_th ]
Einfluss Kostenszenario
A Athen; S0-S3
A Madrid; S0-S3
C Athen; S0-S3
C Toulouse; S0-S3
C+ Athen; S0-S3
C+ Toulouse; S0-S3
S0S1
S2
S3
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.9 Auswirkung der Kostenszenarien in der solarthermischen Option in den Anwendungen A, C und C+. Die Kosten der Primärenergieeinsparung sind aufgetragen über den Kosten pro kWh thermi-scher Nutzenergie (Summe Heizen, Kühlen, BWW). Alle Konfigurationen mit Standardauslegung der TKM.
Mit Berücksichtigung einer optimierten Auslegung der TKM führt die Anwendung der Kosten-
szenarien zu weiteren Kostensenkungen; dies ist in Abbildung 5.3.10 für die Anwendung C+
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 88
dargestellt. Mit dem Kostenansatz S2 wird im Einzelfall bereits Kostenneutralität gegenüber
der Referenz erreicht. Das Szenario S3 zeigt, dass teilweise vergleichbare spezifische Einspa-
rungs- bzw. Vermeidungskosten wie in Ref+PV erreicht werden, aber bei deutlich höheren Ein-
sparungen.
Anwendung nStandort m
Anwendung nStandort m
Anwendung nStandort m
k Variationen (Kollektor, TKM)
Kostengünstigste Variante
Auslegung TKM(Verringerung Nennkälteleistung)
Einfluss Kostensenkungen
Fraunhofer ISE
Solarthermische Optionen,Stand der Technik
-0.40
-0.20
0.00
0.20
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min
. KEM
LCC
[ Eu
ro /
kg
CO
2]
rel. CO2 - Einsparung
Anwendung C+ ; PTKM 33% Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KEM
LCC
[ Eu
ro /
kg
CO
2]
rel. CO2 - Einsparung
Anwendung C+ ; PTKM 33% Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
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min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung C+ ; PTKM 33% Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung C+ ; PTKM 33% Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
S2
S3
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.10 Anwendung C+. Verringerung der Nennkälteleistung der thermisch angetriebenen Käl-temaschine auf 33 % der max. Kühllast (in Standardauslegung: 75 %) und Anwendung der Kostenszenarien S2 (oben) und S3 (unten). Links: Kosten der Primärenergieeinsparung über der relativen PE-Einsparung. Rechts: spezifische CO2-Vermeidungskosten über der relativen CO2-Vermeidung.
Die Ergebnisse zeigen, dass in der solarthermischen Kühlung bestimmte Voraussetzung erfüllt
sein müssen, um im Vergleich mit einer konventionellen Gebäudeversorgung (Referenz) oder in
deren Erweiterung mit netzgekoppelter PV (Ref+PV) wirtschaftlich vorteilhaft zu erscheinen:
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 89
Umfassende Nutzung des Kollektorsystems für Kühlen, Heizungsunterstützung und für
hohen Brauchwarmwasserbedarf;
Bei vorhandenem Kälte-Backup: möglichst keine Auslegung der TKM-Leistung auf das
Kühllastmaximum;
Moderate bis ausgeprägte Kostensenkungen in den Schlüsselkomponenten;
Auswahl geeigneter Standorte; in DE ist beispielsweise unter den getroffenen Annah-
men Wirtschaftlichkeit schwer erreichbar;
Wenn mit den Komfortansprüchen vereinbar, ist in der solarthermischen Kühlung im-
mer eine Konfiguration ohne Kälte-Backup vorzuziehen.
5.3.2 Andere Konfigurationen
Konfigurationen mit Wärmepumpen
Es wurden in der Vergleichsstudie Konfigurationen mit nicht-reversiblen und mit reversiblen
Wärmepumpen untersucht. Die Ergebnisse sind in der Tendenz (Kostenvor- und Nachteile der
solaren Kühlung, relative PE-Einsparungen und CO2-Vermeidungen) ähnlich den Ergebnissen
aus den Berechnungen mit Standardkonfigurationen mit Gaskessel. Es werden daher nur einige
der Ergebnisse aufgeführt.
Abbildung 5.3.11 zeigt die vereinfachten Schemata für Konfigurationen mit reversibel arbeiten-
der Wärmepumpe zum Heizen (+BWW) und Kühlen. Im Prinzip ist eine hohe Anzahl von Ver-
schaltungen des Wärmepumpensystems mit und ohne Nutzung solarer Vorwärmung auf der
Niedertemperaturseite möglich. Den Modellierungen in der Vergleichsstudie liegt zugrunde:
solare Wärme wird nicht zur Vorwärmung der Außenluft für den WP-Betrieb genutzt, son-
dern wird direkt zur Wärmeversorgung (Heizen, BWW) eingesetzt;
es wird nur Luft-Wasser-Wärmepumpentechnik betrachtet; dies spiegelt den aktuellen
Markttrend wieder;
eine elektrische Zusatzheizung ist nicht vorhanden.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 90
ST
Fraunhofer ISE
FK / VK
ElektrizitätPE
CO2 TKM
Solar
Heizen
Kühlen
Speicher
Rück-kühler
Kreislauf-pumpen
Ab-wärme
Umweltenergie
Anwen-dung
Aufwand
Wasser
(H)FKW:ja (KKM,WP)
Umweltenergie
Wärmeträger
Endenergie
Hilfsstoffe
WP
KKM
reversibel
Speicher
Außenluft
Ab-wärme
Warm-wasser
Speicher
ElektrizitätPE
CO2
Heizen
Kühlen
WP
KKM
Kreislauf-pumpen
Umweltenergie
Anwen-dung
Aufwand
(H)FKW:ja (KKM,WP)
Umweltenergie
Wärmeträger
Endenergie
Hilfsstoffe
reversibel
Außenluft
Ab-wärme
Warm-wasser
Speicher
Solar
Wechselrichter
PV
Ref + PV
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.11 Vereinfachte Darstellung der Konfigurationen mit reversibler Wärmepumpe, hier mit dem Versorgungsbedarf Kühlen, Heizen und Brauchwarmwasser. Rechts sind die Untersuchungsstandorte angegeben. In der Option Referenz entfallen die Komponenten des PV-Generators.
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung C+
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung B+
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
WP, reversibel
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.12 Konfigurationen mit reversibler Wärmepumpe; Anwendungen B+ und C+. Standardaus-legung der Nennkälteleistung der thermisch angetriebenen Kältemaschine (75 % der max. Kühllast). Kosten der Primärenergieeinsparung über der relativen PE-Einsparung.
Freiburg (DE)Toulouse (FR)Madrid (ES)Palermo (IT)Athen (GR)
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 91
Aus den Berechnungen mit reversibler Wärmepumpe sind Ergebnisse für die Anwendungen B+
und C+ in Abbildung 5.3.12 dargestellt. Wie auch aus den anderen Konfigurationen ableitbar,
sind hier die primärenergetischen Vorteile der solarthermischen Kühlung wieder in Anwen-
dungen mit zusätzlich hohem Brauchwarmwasserbedarf gegeben, wenngleich die spezifischen
Kosten der Einsparung noch höher als in der Option Rev+PV sind. Diese Kosten können wieder
wie im vorangegangenen Beispiel (Konfiguration mit Gaskessel; Abb. 5.3.10) gesenkt werden
durch eine kleinere Auslegung der TKM und durch die Kostenprognosen.
2-stufige TKM mit konzentrierenden Kollektoren
An zwei sonnenreichen Standorten wurde die Konfiguration der Gebäudekühlung mit 2-
stufiger Absorptionskältetechnik untersucht.
Die Antriebswärme wird auf einem Temperaturniveau > 150 °C benötigt, dazu sind einachsig
nachgeführte Solarkollektoren notwendig. 2-stufige TKM sind derzeit nicht im kleinen Kälte-
leistungsbereich verfügbar, daher wurden nur die Anwendungen B+ und C+ analysiert. Der Vor-
teil in der Anwendung 2-stufiger Sorptionstechnik liegt in der hohen thermischen Leistungs-
zahl, die eine kleinere Kollektorfläche voraussetzt. Da auch der Gesamtwärmeeinsatz für die
Rückkühlung erheblich kleiner ist als in der einstufigen Technik, lassen sich hier ebenfalls In-
vestitionskosten und Betriebskosten einsparen. Die Rückkühlung erfolgt – wie in den bisheri-
gen Modellannahmen – ebenfalls über Nasskühltürme10. Das vereinfachte Anlagenschema ent-
spricht im Prinzip der Standardkonfiguration in Abbildung 5.3.1, mit Ausnahme der Nutzung
nachgeführter Kollektoren statt stationärer Kollektortechnik.
Abbildung 5.3.13 zeigt die Vermeidungskosten für die kostengünstigsten Varianten. Als sinnvoll
erwies sich eine Auslegung der thermisch angetriebenen Kältetechnik auf 50 % der maximalen
Kühllast. Obwohl prinzipiell durch kleinere spezifische Kollektorflächen und durch geringeren
Leistungsbedarf in der Rückkühlung die Einsparung von Investitionskosten möglich ist, kon-
kurrieren die solarthermischen Optionen insbesondere in nordafrikanischen Regionen gegen
sehr niedrige Stromkosten; dadurch sind auch die Einsparpotenziale relativ gering. Es ergibt
sich grundsätzlich ein ähnliches Bild wie in den vorangegangenen Darstellungen: die solar-
thermischen Optionen sind im Vergleich zur Referenz und zu Ref+PV wirtschaftlich interessant,
wenn zusätzlich fossile Brennstoffe für Warmwasserbereitung eingespart wird (Anwen-
dung C+). Am Standort Bechar wird nahezu Kostenneutralität zur Referenz erreicht.
10 Während in der einstufigen Ab-/Adsorptionstechnik im Prinzip auch die trockene Rückkühlung anwendbar ist und dies auch in verschiedenen Anwendungen erprobt wird, ist ein Betrieb 2-stufiger Absorptionskältean-lagen nur mit nasser Rückkühlung sinnvoll. Dies kann allerdings deren Anwendungsmöglichkeiten aufgrund häufigen Frischwassermangels gerade in den Zielregionen einschränken.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 92
Anwendung nStandort m
Anwendung nStandort m
Anwendung nStandort m
Variationen (Kollektorgröße)
Kostengünstigste Variante
Auslegung TKM (Verringerung Nennkälteleistung)
Fraunhofer ISE
Solarthermische Optionen;2-stufige AbKM,
linear konzentrierender Kollektor
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung C+ ; PTKM 50%
Bechar, ST, 2-stufig
Antalya, ST, 2-stufig
Bechar, Ref+PV
Antalya, Ref+PV
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KEM
LCC
[ Eu
ro /
kg
CO
2]
rel. CO2 - Einsparung
Anwendung C+ ; PTKM 50%
Bechar, ST, 2-stufig
Antalya, ST, 2-stufig
Bechar, Ref+PV
Antalya, Ref+PV
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KEM
LCC
[ Eu
ro /
kg
CO
2]
rel. CO2 - Einsparung
Anwendung B+ ; PTKM 50%
Bechar, ST, 2-stufig
Antalya, ST, 2-stufig
Bechar, Ref+PV
Antalya, Ref+PV
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung B+ ; PTKM 50%
Bechar, ST, 2-stufig
Antalya, ST, 2-stufig
Bechar, Ref+PV
Antalya, Ref+PV
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.13 Konfigurationen mit 2-stufiger Absorptionskältetechnik und konzentrierender Kol-lektortechnik in der Option ST ; Anwendungen B+ und C+. Auslegung der Nennkälteleistung der thermisch angetriebenen Kältemaschine: 50 % der max. Kühllast. Kosten der Primärenergieeinsparung über der rela-tiven PE-Einsparung (links) sowie Kosten der CO2-Vermeidung über der relativen CO2-Vermeidung (rechts).
Mischsystem: Solarthermisch + PV
Die Vorteile hoher Primärenergieeinsparung in einigen solarthermischen Varianten können im
Prinzip gekoppelt werden mit den Vorteilen der Kostenneutralität oder Kosteneinsparung pho-
tovoltaischer Optionen. Dazu wird die Anwendung C+ am Standort Palermo betrachtet. Hier
ergab die Option ST mit der 33 %-Auslegung der TKM vergleichsweise günstige Werte in den
Kosten der Primärenergieeinsparung. Wird dieser solarthermischen Konfiguration noch ein PV-
Generator in begrenzter Leistung hinzugefügt, verbessert sich die Wirtschaftlichkeit leicht und
die Primärenergieeinsparung erhöht sich deutlich. Die PV-Generatorleistung wurde dabei in
drei Stufen an die elektrische Nennleistungsaufnahme des Kompressionskälte-Backup ge-
knüpft; Abbildung 5.3.14 zeigt die Auswirkungen für PV-Nennleistungen von 10 %; 20 % und
Antalya (TR)Bechar (DZ)
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 93
33 % der elektrischen Leistungsaufnahme der KKM. Die Eigennutzungsanteile des PV-Stroms
liegen in diesen Auslegungen bei ca. 86 % (Auslegung 33 %) bzw. deutlich über 90 % (Ausle-
gung 20 %, 10 %).
-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung C+ ; PTKM 33%
Palermo, ST
Palermo, ST+PV (10%)
Palermo, ST+PV (20%)
Palermo, ST+PV (33%)
Palermo, Ref+PV
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.14 Anwendung C+, Standort Palermo: spezifische Kosten der Primärenergieeinsparung und relative Primärenergieeinsparung für die Option ST, Ref+PV und für drei Mischoptionen mit unter-schiedlicher PV-Auslegung.
5.3.3 Abschätzungen zu optimierter TKM-Technik
Mit einer Abschätzung wurde der Einfluss einer erhöhten Komponenteneffizienz in den solar-
thermischen Optionen abgeschätzt. In den Modellierungen zum Stand der Technik sind Effizi-
enzwerte herkömmlicher hydraulischer Komponenten (Pumpen, Ventilator im Rückkühlkreis)
eingesetzt, die den elektrischen Hilfsenergiebedarf bestimmen.
In Abbildung 5.3.15 ist für die solarthermische Option am Beispiel der Anwendung C+ der Jah-
reswert der gesamten elektrischen Effizienz sEERtotal,el angegeben (linke Abbildung; Stand der
Technik). Dieser Wert errechnet sich aus der Kältebereitstellung (TKM+KKM), bezogen auf den
dafür erforderlichen Gesamtelektroenergieeinsatz. Während beispielsweise allein der
sEERTKM,el aus den Modellrechnungen am Standort Palermo ca. 8.2 beträgt (Mittelwert über Va-
riationen Kollektorgröße und –art, TKM-Typ), wird sEERel,total durch den zusätzlichen Strombe-
darf für den konventionellen Backup (und durch Berücksichtigung der Kaltwasserverteilpum-
pe) auf ca. 4.6 abgesenkt. Die Gesamt-Effizienzwerte der solarthermischen Optionen sind dar-
gestellt über den sEERKKM –Werten der Referenz. Der Vorsprung der solarthermischen Optionen
zeichnet sich durch einen Abstand zur eingezeichneten Linie aus; nur wenn die Gesamt-
Effizienzwerte der Optionen ST deutlich darüber liegen, wird nennenswert Elektroenergie ein-
gespart. In den Rechnungen zum Stand der Technik liegt der Vorsprung zwischen ca. 20 % und
40 % im Vergleich zum Stromeinsatz für die konventionelle Kälteversorgung in der Referenz.
Tabelle 5.3.3 fasst die Mittelwerte der Arbeitszahlen über alle Standorte zusammen.
In der Abschätzung zu optimierter Komponententechnik wurde von Hocheffizienzpumpen in
den hydraulischen Kreisen ausgegangen (im Kollektorkreis bereits vorher optimiert). Außer-
dem wurde die thermische Leistungszahl der TKM um durchschnittlich 5 % erhöht. Diese Er-
höhung ist gering, da kurzfristig keine „Quantensprünge“ in der Effizienzerhöhung der thermi-
schen Leistungszahlen zu erwarten sind. Eine Erhöhung der thermischen Effizienz der TKM
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 94
wirkt sich insbesondere in geringerem Rückkühlbedarf und daher auch auf den Stromeinsatz
aus.
Abbildung 5.3.14 (rechtes Bild) zeigt die deutliche Auswirkung auf sEERel,total. Am Standort Pa-
lermo ist die Gesamteffizienz auf einen Wert von 5.3 angestiegen. Der sEERTKM,el beträgt ca. 11;
mit geeigneter Anlagenplanung können Effizienzwerte in dieser Höhe durchaus erreicht wer-
den. Anstrengungen zur Erhöhung der Gesamteffizienz in solarthermisch gestützten Anlagen
sind erforderlich, da mittelfristig auch die Effizienz der Komponenten in konventioneller Anla-
gentechnik durch die Anforderungen der Ökodesign-Richtlinien steigen wird.
Veränderungen in der Regelung des Rückkühlkreises zeigen ebenfalls einen großen Einfluss auf
den Stromverbrauch; dies konnte aber im Detail innerhalb von EVASOLK nicht berücksichtigt
werden.
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
3.0 3.5 4.0 4.5
ST:
sEE
R to
tal,e
l
Ref: sEERKKM (EERKKM,nom = 3.0)
Anwendung C+Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
3.0 3.5 4.0 4.5
ST:
sEER
tota
l,el
Ref: sEERKKM (EERKKM,nom = 3.0)
Anwendung C+Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Stand der Technik Optimiert
+ 40% + 20%
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.15 Elektrische Jahresarbeitszahl der Kältebereitstellung aus solarthermisch unterstützter Option, aufgetragen über der Arbeitszahl in der Referenz am jeweiligen Standort. sEERel,total ist dabei für je-den Standort der Mittelwert aus den Variationen über Kollektorfläche, Kollektortyp und TKM-Typ. Links: Ergebnisse aus den Standardkonfigurationen mit Stand der Technik; rechts: mit Verwendung von Hocheffi-zienz-Pumpen und leicht erhöhter thermischer Effizienz der TKM. Am Beispiel der Anwendung C+.
Option Referenz, Ref+PV ST
KKM: Kaltwassersatz
KKM (Backup): Kaltwassersatz
TKM: AbKM, AdKM
TKM+KKM
EE
RK
KM
,no
m
sEE
RK
KM
*
EE
RK
KM
,no
m
sEE
RK
KM
sEE
RT
KM
sEE
RT
KM
,el
sEE
Rel
,to
tal*
Anwendung C+ Stand der Technik 3.0 3.6 3.0 3.9 0.58 8.4 4.7
Anwendung C+ optimiert 3.0 3.6 3.0 3.9 0.62 11.1 5.3
Tabelle 5.3.3 Kälteversorgung in der Anwendung C+: EER-Nennwerte und saisonale thermische und elektrische Arbeitszahlen. Mittelwerte über alle Standorte und alle Variationen (Kollektorgröße und –typ, TKM-Typ).
* einschließlich Kaltwasserverteilungspumpe
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 95
An zwei Beispielen wird der Einfluss durch die Effizienzerhöhung auf die Kostenseite betrach-
tet (Abbildung 5.3.16). In der Anwendung B+ ist die Auswirkung im Vergleich zum Stand der
Technik deutlich ausgeprägt, da die solarthermische Anwendung hier an Standorten mit gerin-
gem Heizbedarf hauptsächlich Elektroenergie substituiert (z.B. Palermo, Athen). Die Effizienz-
steigerungen reichen allerdings nicht aus, um die spezifischen Kosten der Primärenergieein-
sparung in Konkurrenznähe zur Option Ref+PV zu bringen.
In der Anwendung C+ wird durch die Option ST auch ein hoher Anteil fossiler Brennstoffe zur
Brauchwarmwasserbereitung substituiert (TKM-Auslegung: 33 %). Der zusätzliche Elektro-
energie-Einspareffekt zeigt daher eine geringere Auswirkung.
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung C+; PTKM 33% Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung B+
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung B+
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
Stand der Technik Optimiert
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung C+ ; PTKM 33% Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
Stand der Technik Optimiert
Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.16 Auswirkung der Annahmen zur Effizienzsteigerung auf die Kosten der Primärenergie-einsparung und auf die relative Primärenergieeinsparung. Anwendungen B+ (oben) und C+ (unten). Links ist jeweils als Vergleich der Stand der Technik dargestellt (vergl. Abbildungen 5.3.6 und 5.3.7).
5.3.4 Alternative Kostenbeurteilung
In den vorangegangenen Abschnitten wurde die Kosten der Primärenergieeinsparung (bzw.
CO2-Vermeidungskosten) immer über den erreichten Einsparungen aufgetragen, so dass auch
der umweltrelevante Effekt der Maßnahme sichtbar war. Nur die Angabe der Vermeidungskos-
ten kann zu verzerrenden Einordnungen führen (s. Abschnitt 5.2.6). Vorgeschlagen wurde als
alternativer Beurteilungsparameter der Kosten-Wirkungs-Index F12 (primärenergiebezogen)
bzw. F13 (CO2-bezogen). Wie die nachfolgenden Gegenüberstellungen von F12 und KPELCC zeigen
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 96
(Abbildung 5.3.17), ändern sich die qualitativen Aussagen, die aus den bisher gezeigten Ergeb-
nissen gewonnen wurden, nicht:
vorteilhaft sind Anwendungen in der Option ST, in denen zusätzlich erhöhter Brauchwarm-
wasserbedarf vorliegt (Anwendungen C, C+);
in aussichtsreichen Anwendungen verbessert eine sorgfältige Auslegung der Nennleistung
der thermisch angetriebenen Kälteversorgung (keine Auslegung auf Spitzenlast) die Wirt-
schaftlichkeit der Anlage beträchtlich;
in der ST-Option in Anwendungen ohne Brauchwarmwasserbedarf, in denen hauptsächlich
elektrischer Strom substituiert wird, ist der Abstand zwischen den Optionen ST und Ref+PV
groß (trotz hoher Korrelation zwischen täglichem Kühllastprofil und Einstrahlungsprofil).
Dies betrifft hauptsächlich die Anwendungen B, B+.
Allerdings verändert die Anwendung des additiven Bewertungsparameters F12 die Aussagen
quantitativ:
bereits in der Anwendung A (ohne Kälte-Backup) und C liegen in der Option ST einige
Standorte bereits ohne Kostensenkungsprognose in positiven Bereich von F12 bzw. in der
Nähe des Nullpunktes;
in der Anwendung C+ sind einige Standorte in der Option ST bereits vergleichbar mit der Op-
tion Ref+PV auch ohne Kostensenkungsprognose.
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
F12
Anwendung C+ ; PTKM 33% Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
-0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
F12
Anwendung B+ ; PTKM 33% Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
F12
Anwendung A; ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7)
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
F12
Anwendung C Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.17 Vergleich der energetisch-wirtschaftlich-kombinierten Bewertungsgrößen KPELCC und
F12 (s. Abschnitt 5.2.6). Konfigurationen mit Gaskessel als Wärme-Backup. Die Anwendungen B+ und C+ zei-gen die Ergebnisse für die TKM-Auslegung auf 33 % der maximalen Kühllast.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 97
Auch wenn statt des primärenergetisch bezogenen Parameters F12 der CO2-emissionsbezogene
Parameter F13 verwendet wird, ergibt sich ein vergleichbares Bild. Dazu zeigt Abbildung 5.3.18
die Werte aus der Anwendung C+, wieder mit TKM-Auslegung 33 %. An mehreren Standorten
ist die Option ST vergleichbar zur Option Ref+PV.
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
F 13
F12
Anwendung C+ ; PTKM 33% Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.18 Gegenüberstellung der energetisch-wirtschaftlich-kombinierten Bewertungsgrößen F12
und F13 (s. Abschnitt 5.2.6). Konfigurationen mit Gaskessel als Wärme-Backup. Ergebnisse der Anwendung C+ für die TKM-Auslegung auf 33 % der maximalen Kühllast.
5.3.5 Veränderungen im Netzaustausch
In der Option Referenz wird der zeitliche Ablauf des Strombezugs aus dem lokalen Stromnetz
durch die Klimatisierungseinrichtungen und durch den sonstigen Strombedarf (Licht, Compu-
ter, sonstige Geräte) in der jeweiligen Anwendung und am jeweiligen Standort geprägt11. In den
solarthermisch unterstützten Optionen verändert sich das Zeitmuster des Strombezugs und die
Aufnahmeleistungen durch die veränderte klimatechnische Versorgungsstruktur; in den Optio-
nen Referenz+PV treten im Vergleich zur Referenz Veränderungen durch Netzeinspeisung (PV-
Generatorleistung > Eigenbedarf) bzw. durch zeitweise geringe Netzbelastung (Eigennutzung
des PV-Stroms) auf.
Abbildung 5.3.19 zeigt am Beispiel der Anwendung C+ und für den Standort Athen die kumu-
lierten Lastkurven der Kühllast im Gebäude und der PV-Einspeisung für unterschiedliche Aus-
legungsgrößen der PV-Generatornennleistung: 100 %, 50 % (Standard-Auslegung in den vo-
rangegangenen Rechnungen) und 33 % der elektrischen Nennleistungsaufnahme der KKM in
Ref+PV. Kühlbedarf besteht hauptsächlich zwischen April und September. Die Einspeisekurve
11 In der Vergleichsstudie ergibt sich der Stromeinsatz für die wärme-/kältetechnische Gebäudeversorgung
aus den jeweiligen Systemsimulationen; der Stromeinsatz für sonstige Gebäudenutzung stammt aus den Gebäudesimulationen, in denen die Nutzungsstruktur festgelegt wurde. Zeitauflösung der Strombedarfszeit-reihen in EVASOLK: 60 Minuten
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 98
für die PV-Auslegung 100 % zeigt, dass in den Kühllastmonaten knapp 40 % der jährlich einge-
speisten Elektroenergie liegen. Mit zusätzlichen Kurzzeitspeichern (thermisch, elektrisch) ließe
sich daher maximal dieser Betrag zur Eigennutzung anstelle Netzeinspeisung verschieben. Bei
der PV-Generatorauslegung 50 % wird durch insgesamt höhere Eigennutzungsanteile im Som-
mer das Potenzial für Verschiebungen durch Kurzzeitspeicher auf < 30 % der Jahresnetzein-
speisung herabgesetzt. Eine noch kleinere Auslegung des PV-Generators führt im Sommer in
mehreren Monaten zu praktisch keiner Netzeinspeisung; der PV-Strom wird wirtschaftlich
günstig zur Verringerung des Strombezugs eingesetzt.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
kum
ulie
rt, M
on
atsw
erte
Monat
Anwendung C+, Athen
E_Kühlen
E_Einspeisung; 100%
E_Einspeisung; 50%
E_Einspeisung; 33%
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.19 Anwendung C+, Standort Athen: kumulierte Lastkurven des thermischen Energiebedarfs für die Gebäudekühlung (E_Kühlen) und die kumulierten Lastkurven der Elektroenergieeinspeisung für drei verschiedene Auslegungen der PV-Nennleistung.
Im Folgenden werden für einige Anwendungsbeispiele die Veränderungen im Austausch mit
dem Netzstrom in den Optionen ST, Referenz und Ref+PV qualitativ dargestellt. Dazu fand die
Bewertungsgröße fNetz Verwendung. Wie in Abschnitt 5.2.6 definiert, stellt fNetz die Stan-
dardabweichung der Jahreszeitreihe des Stromflusses in bzw. aus dem Gebäude dar, normiert auf Jahresmittelwert der Netzbelastung. fNetz spiegelt damit qualitativ die Unruhe im Stromaus-
tausch mit dem Stromnetz wider; zunehmende Werte im Vergleich zur Referenz bedeuten einen
erhöhten Netz-“Stress“. Konkrete Rückschlüsse auf die elektrotechnische Belastung des Strom-
netzes können daraus nicht abgeleitet werden.
Zur besseren Einordnung wird fNetz über dem Jahresmaximum der Anschlussleistung aufgetra-
gen: max|PNetz| = max[PNetzbezug , PEinspeisung]. Die Werte werden außerdem für den unmittelba-
ren Vergleich normiert auf den jeweiligen Wert der Referenz.
Abbildung 5.3.20 enthält die Netzaustauschparameter für die Anwendung A, Standorte Frei-
burg und Athen. Die Option Ref+PV ist für drei Auslegungsgrößen des PV-Generators darge-
stellt: 33 %, 50 % und 100 % (PV-Nennleistung bezogen auf elektrische Nennleistungsaufnah-
me der Kältemaschine). Mit zunehmender Größe des PV-Generators steigt der Netzstress; eine
Verringerung der maximalen Leistung im Anschluss tritt nicht auf. In der Option ST liegt fNetz
gleich oder unterhalb des Wertes der Referenz; insbesondere in den solarthermischen Optionen
ohne Kälte-Backup kann eine deutliche Verringerung der Anschlussleistung erkannt werden.
Insgesamt sind die solarthermischen Optionen in dieser Anwendung vorteilhaft.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 99
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
f Net
z/
f Net
z,R
efer
enz
max|PNetz| / max|PNetz,Referenz|
Anwendung A, Freiburg
Referenz
Ref+PV; n=1
Ref+PV; n=0.5
Ref+PV; n=0.33
ST
ST; ohne Backup
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
f Net
z/
f Net
z,R
efer
enz
max|PNetz| / max|PNetz,Referenz|
Anwendung A, Athen
Referenz
Ref+PV; n=1
Ref+PV; n=0.5
Ref+PV; n=0.33
ST
ST; ohne Backup
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.20 Anwendung A, Standorte Freiburg und Athen: Netzaustauschparameter fNetz und
max|PNetz|, jeweils normiert auf den Wert der Referenz.
Weniger eindeutig stellt sich in Abbildung 5.3.21 der Vergleich in den Anwendungen B, B+ dar.
Durch die relativ gute Übereinstimmung zwischen Kühllastprofil und PV-Stromerzeugung tritt
bei moderaten PV-Generatornennleistungen (hier etwa bis Auslegungsgrößen 50 %) kaum eine
Erhöhung im Netzstress auf; darüber hinaus wird die Anschlussleistung günstig beeinflusst. Ein
eindeutiger Vorteil in der Option ST kann nur bei den Anwendungen ohne Kälte-Backup gese-
hen werden (nur in Anwendung B untersucht).
Die Anwendungen C, C+ hingegen (Abbildung 5.3.22) sind in den Auswirkungen der Optionen
auf den Netzaustausch etwa vergleichbar mit den Anwendungen A. Der Kühlbedarf verteilt sich
auf einen größeren täglichen Zeitraum: PV-Strom wird tagsüber in geringerem Maße durch Ei-
gennutzung aufgenommen und die im Vergleich zur Anwendung C höhere Einspeisung lässt fNetz
über den Referenzwert ansteigen. Die solarthermische Option kann standortabhängig zur Ver-
ringerung des Anschlusswertes führen; in der qualitativen Darstellung Netzstress ist sie ver-
gleichbar zur Referenz.
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
f Net
z/
f Net
z,R
efer
enz
max|PNetz| / max|PNetz,Referenz|
Anwendung B+, Madrid
Referenz
Ref+PV; n=1
Ref+PV; n=0.5
Ref+PV; n=0.33
ST
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
f Net
z/
f Net
z,R
efer
enz
max|PNetz| / max|PNetz,Referenz|
Anwendung B, Madrid
Referenz
Ref+PV; n=1
Ref+PV; n=0.5
Ref+PV; n=0.33
ST
ST; ohne Backup
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.21 Anwendungen B, B+, Standort Madrid: Netzaustauschparameter fNetz und max|PNetz|, jeweils normiert auf den Wert der Referenz.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 100
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
f Net
z/
f Net
z,R
efer
enz
max|PNetz| / max|PNetz,Referenz|
Anwendung C+, Athen
Referenz
Ref+PV; n=1
Ref+PV; n=0.5
Ref+PV; n=0.33
ST
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
f Net
z/
f Net
z,R
efer
enz
max|PNetz| / max|PNetz,Referenz|
Anwendung C, Madrid
Referenz
Ref+PV; n=1
Ref+PV; n=0.5
Ref+PV; n=0.33
ST
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.22 Anwendungen C, C+, Standorte Madrid und Athen: Netzaustauschparameter fNetz und
max|PNetz|, jeweils normiert auf den Wert der Referenz.
Die qualitativen Betrachtungen deuten darauf hin, dass die Optionen Ref+PV generell zu einer
leichten bis ausgeprägten Erhöhung im Netzstress führen, dass aber die Vorteile solarthermi-
scher Optionen in dieser Hinsicht dann eingeschränkt werden, wenn sich der Kühlbetrieb stark
auf die Tagesstunden konzentriert und eine hohe Eigennutzung des PV-Stroms erfolgen kann
(Anwendungen B, B+). Der Abstand der solarthermischen Optionen zur Referenz wird allerdings
sehr günstig beeinflusst, wenn auf den kompressionskältetechnischen Backup dort verzichtet
werden kann.
5.3.6 Sensitivität
In diesem Abschnitt wird auf die Sensitivität der Kosten der Primärenergieeinsparung in den
solarthermischen Optionen ST eingegangen.
Die Kostensituation in den solarthermischen Optionen wird durch zahlreiche Vorgaben und
Randbedingungen bestimmt. Außerdem kann auch die Kostenzusammensetzung innerhalb ei-
ner Option stark anwendungs- und ortsabhängig sein. Daher ist die Auswirkung auf beispiels-
weise die Kosten der Primärenergieeinsparung (KPELCC) sehr anwendungs- und standortab-
hängig, wenn ein Basisparameter verändert wird:
an einem Standort mit vergleichsweise wenigen Volllastbetriebsstunden der Kühleinrich-
tung wird eine Veränderung des Strompreises wenig Auswirkung zeigen;
in Anwendungen mit erhöhtem Brauchwarmwasserbedarf sind die Auswirkungen bei Ver-
änderungen des Gaspreises relevanter als bei Strompreisveränderungen;
In kostengünstigen Anwendungen (im Vergleich zur Referenz) ist die Sensitivität der spezifi-
schen Kosten bei Veränderungen der Basisparameter höher als in Anwendungen, die weiter
von Kostenneutralität entfernt sind.
Abbildung 5.3.23 zeigt die prozentuale Auswirkung auf KPELCC , wenn jeweils einer der angege-
benen Basisparameter (Energiepreise, Teilsystemkosten usw.) im Bereich zwischen -25 % bis
+25 % relativ zu den Ausgangsgrößen variiert wird. Zur Darstellung wurde die Anwendung C+
mit den Standorten Freiburg und Athen gewählt; diese Standorte spannen den Bereich der Kos-
ten der Primärenergieeinsparung auf (Standardkonfigurationen mit Auslegung der TKM auf
75 % der max. Kühllast). Erkennbar ist die ausgeprägt höhere Sensitivität auf KPELCC am Stand-
ort mit niedrigen Kosten der Primärenergieeinsparung. In den Energiekosten ist hier der Gas-
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 101
preis von hoher Bedeutung, bei den Teilsystemkosten haben die Kosten des Kollektorsystems
den größten Einfluss.
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
rel. PE - Einsparung
Anwendung C+
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
-30 -20 -10 0 10 20 30
Ver
änd
eru
ng
in K
PE L
CC
in %
Veränderung der Basisparameter in %
Anwendung C+; Athen (TKM: 75%, FK4/AbKM)
Kollektorsystem
TKM-System
Kapitalzins
Installations-kosten (20a)
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
-30 -20 -10 0 10 20 30
Ver
änd
eru
ng
in K
PE L
CC
in %
Veränderung der Basisparameter in %
Anwendung C+; Athen (TKM: 75%, FK4/AbKM)
Strompreis
Gaspreis
TeuerungsrateStrom, Gas
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
-30 -20 -10 0 10 20 30
Ver
änd
eru
ng
in K
PE
LCC
in %
Veränderung der Basisparameter in %
Anwendung C+; Freiburg (TKM: 75%, FK6/AbKM)
Strompreis
Gaspreis
TeuerungsrateStrom, Gas
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
-30 -20 -10 0 10 20 30
Ver
änd
eru
ng
in K
PE
LCC
in %
Veränderung der Basisparameter in %
Anwendung C+; Freiburg (TKM: 75%, FK6/AbKM)
Kollektorsystem
TKM-System
Kapitalzins
Installations-kosten (20a)
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.23 Anwendungen C+, Standorte Freiburg und Athen: Prozentuale Veränderung der spezifi-schen Kosten der Primärenergieeinsparung bei Veränderung der angegebenen Basisparameter. Bei der Teu-erungsrate wurden die Preise für Gas und Strom gleichzeitig variiert; ansonsten wird immer nur einer der Kostenparameter verändert (immer relativ zum Basiswert). Die beiden gewählten Standorte weisen in die-ser Anwendung den größten Unterschied in KPELCC auf (s. oben).
Als Beispiel für die Sensitivität in der Anwendung B zeigt Abbildung 5.3.24 die Anwendung oh-
ne Kälte-Backup am Standort Madrid. Der Einfluss von Kostenveränderungen im Teilsystem
Kollektor ist vergleichbar mit Veränderungen im thermisch betriebenen Kältesystem. Die Aus-
wirkung bei Veränderung des Strompreises ist hier größer als eine Veränderung des Gasprei-
ses; insgesamt ist die Auswirkung bei einer Variation der Energiepreise aber innerhalb der be-
trachteten Variationsbandbreite gering.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 102
In den Kostenberechnungen wurde standardmäßig innerhalb des 20-jährigen Betrachtungs-
zeitraums von einer Lebensdauer der elektrisch betriebenen Kompressionskältetechnik von
15 Jahren ausgegangen. Zur Lebensdauer dieser Komponenten gibt es jedoch unterschiedliche
Angaben. In [Krawinkler, 2008] wird dazu auf die österreichische ÖNORM H7140 verwiesen
(Lebensdauer Kompressionskältemaschine, Kaltwasser: 15 a; Lebensdauer Raumklimageräte
Split und Multi-Split: 10 a). In [Jakob, 2012] wird allgemein auf eine mittlere Lebensdauer von
Kompressionskältemaschinen von 8 Jahren hingewiesen. Standortspezifisch sind durch hohe
Betriebszeiten und evtl. Staubbelastungen nur deutlich geringere Lebensdauern erreichbar: in
Australien sind Austauschzeiten der Außeneinheiten von Split-/Multi-Splitgeräten von < 5 Jah-
re gängig, da bereits nach drei Jahren die Wartungskosten unverhältnismäßig ansteigen12.
Die Veränderung der Lebensdauer eines Multi-Split-Gerätes in der Referenz (Anwendungen B,
C: Splitgeräte-Technik; B+, C+: Kaltwasser-KKM) wirken sich unmittelbar auf die Kostensituati-
on der solarthermischen Optionen aus, da KPELCC im Vergleich zu den Kosten der Referenz ge-
bildet wird. Dies wird in Abbildung 5.3.25 am Beispiel der Anwendung C gezeigt.
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
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50
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Ver
änd
eru
ng
in K
PE L
CC
in %
Veränderung der Basisparameter in %
Anwendung B; Madrid (TKM: 75%, FK4/AbKM)
ohne Kälte-Backup
Strompreis
Gaspreis
TeuerungsrateStrom, Gas
-50
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-30
-20
-10
0
10
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40
50
-30 -20 -10 0 10 20 30
Ver
änd
eru
ng
in K
PE L
CC
in %
Veränderung der Basisparameter in %
Anwendung B; Madrid (TKM: 75%, FK4/AbKM)
ohne Kälte-Backup
Kollektorsystem
TKM-System
Kapitalzins
Installations-kosten (20a)
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.24 Anwendung B, ohne Kälte-Backup und am Standort Madrid: Prozentuale Veränderung der spezifischen Kosten der Primärenergieeinsparung bei Veränderung der angegebenen Basisparameter. Bei der Teuerungsrate wurden die Preise für Gas und Strom gleichzeitig variiert; ansonsten wird immer nur einer der Kostenparameter verändert (immer relativ zum Basiswert).
12 Persönliche Kommunikation mit klimatechnischem Ing.-Büro in Australien
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 103
-60
-50
-40
-30
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0
0 5 10 15 20
Ver
änd
eru
ng
in K
PE L
CC
in %
Lebensdauer [a]
Anwendung C; Athen (TKM: 75%, FK4/AbKM)
KKM-Split (Ref)
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.25 Verringerung der Kosten der Primärenergieeinsparung in der solarthermischen Option, wenn die Lebensdauer des Mult-Splitgerätes in der Referenz abgesenkt wird (15-12-10-8-5 Jahre) und dadurch zunehmende Kosten durch Ersatzinvestitionen auftreten. Anwendung C, Standort Athen.
Abbildung 5.3.26 zeigt an einem Beispiel, wie sich eine ausgeprägte Veränderung eines der Ba-
sisparameter auf die Bewertung auswirkt. Dazu wird der jährliche Preisanstieg beider Energie-
formen, Strom und Gas, verdoppelt und das Ergebnis an der Anwendung C+ an heißen, sonnigen
Standorten aufgezeigt (zweistufige-TKM-Technik in der Option ST). Die solarthermische Option
wird dadurch günstiger; der Abstand von F12 an einem der Standorte vergrößert sich zu den
entsprechenden Werten der Option Ref+PV.
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
F12
Anwendung C+ ; PTKM 50%
Bechar, ST, 2-stufig
Antalya, ST, 2-stufig
Bechar, Ref+PV
Antalya, Ref+PV
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
F12
Anwendung C+ ; PTKM 50%
Bechar, ST, 2-stufig
Antalya, ST, 2-stufig
Bechar, Ref+PV
Antalya, Ref+PV
Jährlicher Preisanstieg Strom: 10 %Jährlicher Preisanstieg Gas: 6 %
Jährlicher Preisanstieg Strom: 5 %Jährlicher Preisanstieg Gas: 3 %
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.26 Auswirkung einer Verdopplung des Preisanstiegs für Strom und Gas in der Anwendung C+ an sehr warmen und sonnigen Standorten. Links: normaler Preissteigerungs-Ansatz in den Vergleichs-rechnungen, rechts: doppelte Preissteigerungsrate. TKM-Auslegung in der solarthermischen Option: 50 % der maximalen Kühllast im Gebäude.
Abschließend wird an einem Beispiel eine Kombination mehrerer Parameterveränderungen
vorgenommen, die sich zu Gunsten der solarthermischen Option auswirken. Im Beispiel wird
variiert:
- Verdopplung der jährlichen Steigerungsraten in den Energiekosten (Strom: von 5 % auf
10 % pro Jahr; Gas: von 3 % auf 6 % pro Jahr);
- Kostenszenario S2 (Kollektorsystem: -10%; TKM-System: -25% Investkosten);
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 104
- Lebensdauerabsenkung im Multi-Split-System in Ref und Ref+PV von 15 auf 10 Jahre.
Abbildung 5.3.27 zeigt die Auswirkung auf die Anwendungen A und B (ohne Kälte-Backup) und
auf Anwendung C. In diesen Anwendungen wird auf der Referenzseite Multi-Split-Kühltechnik
in den Vergleichsrechnungen eingesetzt. Es zeigt sich, dass bezüglich des Bewertungsparame-
ters F12 die Optionen ST in der Anwendung C bereits alle im Bereich > 0 und vergleichbar zu
Ref+PV liegen. In der Anwendung A ist dies bei den südeuropäischen Standorten der Fall; hier
ist Vergleichbarkeit zur Option Ref+PV gegeben. In der Anwendung B ist die letztere Option
nach wie vor günstiger.
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
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-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
F12
Anwendung C Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
Jährlicher Preisanstieg Strom: 10 %Jährlicher Preisanstieg Gas: 6 %Kostenszenario S2 Lebensdauer Multi-Split (Ref): 10 a
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
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-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
F12
Anwendung B; ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7)
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE
-0.2
-0.1
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-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
min
. KP
ELC
C[
Euro
/ k
Wh
PE
]
F12
Anwendung A; ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7)
Freiburg
Palermo
Toulouse
Madrid
Athen
Freiburg, Ref+PV
Palermo, Ref+PV
Toulouse, Ref+PV
Madrid, Ref+PV
Athen, Ref+PV
Fraunhofer ISE
Abbildung 5.3.27 Auswirkung der im Kästchen angegebenen Veränderungen der Basisparameter. In der Anwendung C sind die solarthermischen Optionen damit bei gleichgewichteter Bewertung von Kosten und Primärenergieeinsparung (F12) etwa im gleichen Bereich wie die Systeme Ref+PV, in der Anwendung A trifft dies für südeuropäische Standorte zu. In der Anwendung B führt dies noch nicht zu vergleichbaren Werten. Es wurden die kleinen Systemvarianten gewählt, da hier in der Vergleichstechnik in Ref und Ref+PV Multi-Split-Kältetechnik angesetzt wird.
5.4 Zusammenfassung Vergleichsstudie Solare Kühlung in Gebäuden
Der Vergleich der verschiedenen Optionen und Anwendungen zur solar unterstützten Gebäu-
dekühlung zeigt, dass in der Beurteilung der Techniken differenziert vorgegangen werden
muss. Der Wirtschaftlichkeitsvergleich erfolgte auf Basis der spezifischen Kosten der Primär-
energieeinsparung bzw. der CO2-Vermeidung für einen 20-jährigen Betrachtungszeitraum. In
grober Näherung sind die Aussagen sowohl bezüglich der Primärenergieeinsparung als auch
der CO2-Vermeidung vergleichbar; Kältemittelverluste in elektrisch betriebener kompressions-
gestützter Kühlung über den Lebenszyklus wurden berücksichtigt.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 105
In der Vergleichsstudie liegen die Nennkälteleistungen der untersuchten Kühleinrichtungen im
Bereich zwischen 10 kW und ca. 130 kW, auf diesen Bereich beziehen sich daher auch die ge-
troffenen Aussagen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit. In Anlagen mit höherer Kälteleistung
sind daher Kostenabsenkungen durch positive Skaleneffekte zu erwarten.
Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Solare Kühlung kann zu hohen Primärenergieeinsparungen und CO2-Vermeidungen im
Vergleich zur Referenz beitragen. Die Einsparpotenziale sind dabei anwendungs- und
standortabhängig und auch je nach Option (solarthermisch oder Referenzsystem+PV) un-
terschiedlich. Beispiel für die Einsparungen in einer solarthermisch unterstützten Kon-
figuration mit zusätzlich hohem Warmwasserbedarf an einem südeuropäischem Stand-
ort (Kühllastspitze: ca. 125 kW, installierte thermische Kältetechnik: 41 kW):
ca. 150 MWh Primärenergie pro Jahr und ca. 33 t CO2 pro Jahr. In Gesamtlösungen mit
Brauchwarmwasserversorgung sind die solarthermischen Optionen in dieser Hinsicht
den Optionen Referenzsystem+PV teils deutlich überlegen im Rahmen der untersuchten
Anlagenkonfigurationen.
Generell liegen günstige Standorte für solarthermische Kühlung in Klimazonen mit ho-
her Betriebsstundenzahl, z.B. >> 500 Volllaststunden/Jahr. Die Technologieentwicklung
Solare Kühlung als Exportprodukt ist damit aussichtsreicher als die Entwicklung mit
Schwerpunkt auf den deutschen Markt.
Die Einsparung von ausschließlich Elektroenergie durch solarthermische Kühlung ist
auch mit Kostensenkungsprognosen schwierig wirtschaftlich darstellbar. Dies betrifft
hauptsächlich die Anwendungsarten ohne Brauchwarmwasserbedarf. Die in dieser An-
wendung gute Übereinstimmung zwischen Kühllastprofil und Einstrahlungsprofil ist
dann kein hinreichendes Kriterium mehr für einen wirtschaftlich aussichtsreichen Be-
trieb für solarthermisch angetriebene Kühlung. Die Option Referenz+PV mit hoher Pri-
märenergiekompensation auf jährlicher Basis ist hier vorteilhaft.
Voraussetzung für eine wirtschaftlich interessante Darstellung der solarthermischen
Kühlung im Vergleich zur Referenz und zu Referenz+PV sind vielmehr:
Eine optimale ganzjährige Ausnutzung des Kollektorfeldes durch weitere Wärmeab-
nehmer (hoher Brauchwarmwasserbedarf; Speisewasservorwärmung), d.h. Aufbau
einer Verwertungskette solarer Wärme, innerhalb derer der Bezug fossiler Energie-
träger vermieden wird;
Sorgfältige Auslegung der thermisch angetriebenen Kältetechnik insbesondere bei
großen Anlagen: keine Auslegung auf Spitzenlast, wenn ein Kälte-Backup-System
vorhanden ist;
Verzicht auf ein Kälte-Backup-System, sofern dies mit den Anforderungen an die
Raumluftqualität und dem täglichen Kühllastprofil vereinbar ist (Zulassung gelegent-
licher Überschreitung der Raumluft-Sollzustände);
Moderate bis ausgeprägte Kostenreduktion des Kollektorsystems und in den Haupt-
komponenten thermisch angetriebener Kühlung. Der Umfang der Kostenreduktion,
um mit der Option Referenz+PV zu konkurrieren, ist dabei auch abhängig von den
verwendeten energetisch-wirtschaftlichen Bewertungsgrößen. Bei Anwendung eines
energetisch-wirtschaftlich gleichgewichteten Kosten-Wirkungs-Index ist in einigen
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 106
Anwendungen mit hohem zusätzlichen Wärmebedarf bereits Konkurrenzfähigkeit
ohne Kostensenkungsprognosen erreicht;
Generell sind große Systeme durch sinkende spezifische Komponentenkosten vor-
teilhafter als kleine Systeme im Kälteleistungsbereich z.B. < 30 kW;
Effizienzerhöhung in der solarthermischen Kühlung auf Komponentenebene und auf
steuerungs-/regelungstechnischer Ebene;
Anwendung effizienter 2-stufiger Absorptionskältetechnik an geeigneten Standorten;
Wenn möglich, sollte der Rückkühlkreis zur Vorwärmung von Brauchwarmwasser /
Speisewasser genutzt werden (dies ist derzeit kaum realisiert und wurde daher auch
in der Vergleichsstudie nicht explizit untersucht).
Eigenschaften der konventionellen Gebäudeversorgung mit additiver PV (Option Refe-
renz+PV):
In Anwendungen ohne zusätzlichen erheblichen Energiebedarf aus fossilen Quellen
in der thermischen Gebäudeversorgung (Brauchwarmwasser) bietet diese Option
wirtschaftliche und primärenergetische Vorteile, die von den hier untersuchten so-
larthermischen Konfigurationen schwer erreichbar sind;
Unter den oben genannten Voraussetzungen für einen aussichtsreichen Betrieb so-
larthermischer Kühlung sind die spezifischen Kosten der Primärenergieeinsparung
bzw. der CO2-Vermeidung etwa vergleichbar, allerdings bei teils deutlich niedrigeren
Primärenergie-Einsparungen (CO2-Vermeidungen) im Vergleich zur solarthermi-
schen Option;
In der eher qualitativen Betrachtung der Wechselwirkung mit dem Stromnetz zeigt
sich, dass die Varianten mit PV-Generator und Einspeisung der Stromüberschüsse
ins Stromnetz zu teils deutlicher Zunahme des „Stresses“ auf der Netzseite führen.
Inwieweit dies jedoch für die betreffenden Netzknoten kritisch ist, kann hier nicht
beurteilt werden. Es lässt sich jedoch vermuten, dass die Anwendung in schwachen
Netzen nicht zu einer Stabilisierung führt. In den bereits für die Option Referenz+PV
als sehr vorteilhaft identifizierten Anwendungen (kein sommerlicher Wärmebedarf)
zeigt die Abschätzung auch hier eine geringere Auswirkung auf das Netz bzw. es
können tendenziell durch geringere maximale Strombezugsleistungen Netzentlas-
tungen erwartet werden;
Sensitivitätsrechnungen zeigen einen großen Einfluss der Lebensdauer konventio-
neller Kühltechnik auf Splitgeräte-Basis im wirtschaftlichen Vergleich mit solarther-
misch gestützten Anlagen. In der Vergleichsstudie wurde als Standardansatz von ei-
ner Lebensdauer der Splitgeräte von 15 Jahren ausgegangen. Berichten zufolge wird
in sehr sonnenexponierten und umweltbelasteten Regionen diese Lebensdauer bei
Weitem nicht erreicht. Eine Halbierung der Lebensdauer des Multi-Split-Gerätes in
der Referenz erhöht die Wirtschaftlichkeit der solarthermischen Konfiguration im
Vergleich zu dieser signifikant (im Sensitivitäts-Beispiel: Kosten der Primärenergie-
einsparung in der solarthermischen Variante sinken mehr als 20 %).
Die analysierten Optionen zum Einsatz von Solarenergie in der Gebäudeversorgung befinden
sich hinsichtlich der technologischen Entwicklung und damit auch hinsichtlich der Investitions-
kosten noch nicht auf Augenhöhe: sowohl die konventionelle Kühltechnik als auch die netzge-
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 107
koppelte Photovoltaik haben bereits eine ausgeprägte Kostendegression infolge der Massenfer-
tigung erfahren, davon ist die thermisch betriebene Kältetechnik noch deutlich entfernt, so dass
hier noch signifikante Kostensenkungen zu erwarten sind. Auch in der Solarthermie werden
mittelfristig noch erhebliche Potenziale für eine Kostensenkung der Schlüsselkomponenten ge-
sehen13.
Positiv auf die Komponentenkosten der thermisch betriebenen Kühlung können sich auch
Schnittmengen zur Entwicklung des Sorptionswärmepumpenmarktes auswirken; Fortschritte
in diesem Bereich können zu einer Kostenreduktion im Kühlsektor führen. Langfristig sind
eventuell auch reversible Systeme – Sorptionstechniken zur gemeinsamen Kälte- und Wärme-
versorgung – durchsetzungsfähig, die zu einer Systemvereinfachung führen. Im Technologiebe-
reich der Adsorptionskältetechnik werden außerdem Ansätze verfolgt, die auf Vereinfachungen
im Geräteaufbau zielen und eine deutliche Auswirkung auf den Komponentenpreis erwarten
lassen.
Anwendungen mit solarthermischer Kühlung können zudem, auch wenn die Wirtschaftlichkeit
noch nicht vergleichbar ist mit elektrisch betriebenen Optionen der Gebäudekühlung, dann vor-
teilhaft sein, wenn in Regionen mit instabilen Netzen ein weiterer Ausbau der konventionellen
Kälteversorgung problematisch ist. Darüber hinaus ist Netzeinspeisung mit PV-Generatoren
nicht in allen Regionen einfach zu realisieren. Hier kann die solare Kühlung zu einem wirt-
schaftlich nicht exakt darstellbarem Komfortanstieg führen.
Die untersuchten Konfigurationen solarthermischer Kühlung bilden den Stand gegenwärtiger
Technik ab. Auf der Systemseite konventioneller Technik mit PV-Generator wurde ebenfalls
keine spezielle Konfiguration mit Möglichkeiten der Lastverschiebungen analysiert (z.B. Konfi-
guration mit elektrischer Stromspeicherung, latenter und sensibler Wärmespeicherung, die sich
allerdings auch dort investitionskostenerhöhend auswirken würde).
In realen Installationen können sich auch Optionen, die sich hier als nicht wirtschaftlich günstig
herausgestellt haben, durch spezielle lokale Rahmenbedingungen als vorteilhaft erweisen. Dies
kann im Einzelfall durch stark abweichende Komponenten- oder Installationskosten hervorge-
rufen werden.
13 Fahrplan Solarwärme – Strategie und Maßnahmen der Solarwärme-Branche für ein beschleunigtes Markt-
wachstum bis 2030. Bericht des Bundesverband Solarwirtschaft e.V. (BSW), Juni 2012
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 108
6 Solare Prozesskühlung
Autoren: Sebastian Wittig, Mathias Safarik (ILK)
6.1 Technische Analyse und Anwendungsbeispiele
Für die solare Prozesskühlung mit Nutzkältetemperaturen unter 6 °C lässt sich nur eine geringe
Anzahl von Anwendungsbeispielen in der Literatur finden. Wesentliche davon sind - ohne An-
spruch auf Vollständigkeit - in Tabelle 6.1.1 aufgeführt.
Anwendung Standort,
Installation
Kälte-leistung
[kW] Kälteanlage
t1 [°C] (Regen.)
t2 [°C] (Verfl.)
t3 [°C] (Verd.)
Rück-kühlung
Speicher Energie-
quelle Literatur-
quelle
Kühlcontainer (z.B. Eis-erzeugung)
verschiedene 5.1 KKM - 45 -5 Umgebung (trocken)
Eis und/oder Batterie
PV, 3.4 kWP
[Phaesun, 2011]
Milchkühler Marrakesch (Marokko)
12.8
NH3/H2O AbKM (Robur),
in Reihe zu KKM - im KWS Rücklauf
- - - Umgebung (trocken)
Eis, 2 m³ / 94 kWh
Parabol, 58.5 m²
[Motta, 2010]
Weinkühlung Grombalia (Tunesien)
12.8 NH3/H2O AbKM
(Robur), parallele KKM
180 ? 0 Umgebung (trocken)
Wasser-Glykol(35%),
3 m³
Fresnel-Kollektor,
88 m² [Motta, 2010]
Weinkühlung Schloßberg (AT), 2003
10 - 17 NH3/H2O AbKM
(F&E) ≥ 100/
85 25/35 ≥ -15
Umgebung (nass)
Sole, 0,5 m³ HW, 4 m³
Flach-kollektor, 100 m²,
Biomasse-verbr.
[Eicker, 2009], [Schubert,
2012]
Bürokälte mit Eisspeicher
Stuttgart (DE)
10 NH3/H2O AbKM
(Prototyp) ≈ 75..105 ≈ 20
≈ -10..0 (COP 0.5)
Umgebung (trocken)
Eis, 0.5 m³ / 35 kWh
Flach-kollektor,
32 m²
[Zetzsche, 2008]
Demonstra-tionsanlage
FH Gelsen- kirchen (DE),
2001 20
NH3/H2O AbKM (Prototyp)
100/ 90
? - 2
(COP 0.63)
Erdsonden Eis, 170 kWh VRK,
72 m² [Eicker, 2009], [Braun, 2002]
Demonstrati-onsanlage Kühlhaus
Umkirch, 2012
12 NH3/H2O AbKM
(Robur) 180 35 -5
Umgebung (trocken, integriert in AKM)
Eis, 0.56 m³ / 50 kWh
Fresnel-Kollektor,
88 m² [Döll, 2013]
Tabelle 6.1.1 Anwendungsbeispiele Solare Kühlung / Prozesskühlung für niedrige Nutztemperaturen
(ohne Anspruch auf Vollständigkeit)
Als Vertreter PV-betriebener Kühlsysteme können die ILK-Kühlcontainer genannt werden (Ab-
bildung 6.1.1). Diese sind dafür konzipiert, autark in abgelegenen Regionen oder in Gebieten
ohne stabiles Stromnetz bspw. zur Kühlung von Lebensmitteln, Medikamenten oder zur Eiser-
zeugung eingesetzt zu werden. Dabei kommt eine Kombination aus Kompressionskälteanlage
zur Kälteerzeugung, PV-Kollektoren zur Energieversorgung und einem Speichersystem zur di-
rekten (Batterie) oder indirekten (PCM) Speicherung der umgewandelten Sonnenenergie zum
Einsatz. Diese Systemkombination ist in der Praxis der Prozesskühlung eine Ausnahme. Regio-
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 109
nen, in denen Prozesskälte benötigt wird, verfügen entweder über ein ausreichend stabiles
Stromnetz oder es wird eine Backup-Stromerzeugung genutzt, i.d.R. durch dieselbetriebene Ge-
neratoren. Ohne Speicher unterscheidet sich ein Kompressionskältesystem mit solarer Unter-
stützung technisch nicht mehr von einem klassischen, rein netzbetriebenen System. Das Käl-
teerzeugungssystem kann dann unabhängig von der PV-Anlage betrieben werden.
Abbildung 6.1.1 Kühlcontainer [Phaesun, 2011]
Für solarthermische Kälteverfahren gibt es im Bereich Prozesskühlung mehrere Anwendungs-
beispiele. Die in der Literatur beschriebenen Anlagen weisen eine relativ geringe Kälteleistung
auf (zwischen 10 und 20 kW) und basieren meist auf Absorptionskältemaschinen (AbKM) mit
dem Stoffpaar Ammoniak/Wasser, wobei Ammoniak das Kältemittel ist. Da in Prozesskühlan-
wendungen größtenteils Verdampfungstemperaturen unter 0 °C benötigt werden, kann das in
der Gebäudeklimatisierung verbreitete Stoffpaar H2O/LiBr nicht genutzt werden.
Das Temperaturniveau der Antriebswärme variiert bei den beschriebenen Systemen zwischen
75 °C und 180 °C. Höhere Temperaturen ergeben sich bei dem Einsatz von AbKM die ursprüng-
lich für eine Direktbefeuerung mit Gas ausgelegt und optimiert sind (AbKM des Herstellers Ro-
bur). Hier wird der Einsatz von konzentrierenden Solarkollektoren (Parabolrinne, Fresnel) nö-
tig, womit Heizwassertemperaturen von 180 °C erreichbar sind. Bei der Verwendung von
AbKM, die mit geringeren Temperaturen der Antriebswärme arbeiten, finden auch Flach– bzw.
Vakuumröhrenkollektoren Anwendung.
Die Rückkühlung wird mit drei verschiedenen Varianten realisiert. Bei drei der genannten Pro-
jekte kommt ein trockener Rückkühler zum Einsatz. In einem System (Weinkühlung, Öster-
reich) wurde ein Nasskühlturm integriert und die Demonstrationsanlage der FH Gelsenkirchen
verfügt über eine Wärmepumpe mit Erdsonden, die im Sommer als Wärmesenke genutzt wer-
den.
Alle aufgeführten Systeme sind mit Kältespeichern ausgestattet (teilweise Wasser-Glykol-
Speicher, teilweise Eisspeicher). Durch Kältespeicher kann der solare Deckungsgrad der Anlage
erhöht werden, da ein Überangebot an solarthermischer Energie auf diese Weise speicherbar
ist. Dies setzt allerdings voraus, dass das Kälteerzeugungssystem das hohe Angebot an An-
triebsleistung bewältigen kann. Daraus ergibt sich unter Umständen eine Überdimensionierung
der Kälteanlage bzw. ein hoher Anteil von Betriebszeit in Teillast. Dies kann durch den Einsatz
von Wärmespeichern vermieden werden. Nur in das System zur Weinkühlung in Österreich ist
ein Speicher auf der warmen Seite der AbKM integriert.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 110
Neben den Speichersystemen verfügen einige der aufgeführten Systeme über eine zusätzliche
Kompressionskälteanlage (KKM). Die Kombination der beiden Kälteerzeugungsmaschinen er-
folgt auf unterschiedliche Weise. Bei der Milchkühlung in Marokko wird die Absorptionskälte-
anlage in den Kaltwasserrücklauf zur KKM eingebunden. Bei verfügbarer solarer Einstrahlung
kann der Kälteträger vor dem Durchlaufen der KKM einer Vorkühlung unterzogen werden und
die Last der KKM reduziert sich. Bei dem Beispiel der Weinkühlung in Tunesien ist ein netzge-
koppeltes KKM-Backup-System parallel am Kälteträgerkreislauf eingebunden. Wohingegen bei
dem Pilotprojekt zur Weinkühlung in Österreich ein Mangel an Antriebswärme durch fehlende
Sonneneinstrahlung mit Hilfe einer Biomasseverbrennung kompensierbar ist. Zu den Versuchs-
anlagen vom ITW-Stuttgart sowie der Demonstrationsanlage in Gladbeck wird in den vorlie-
genden Quellen kein Backup-System beschrieben.
Abbildung 6.1.2 Solare Milchkühlung, Marokko, 12.5 kW [Ayadi, 2008], [Motta, 2010]
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 111
Abbildung 6.1.3 Weinkühlung in Tunesien 12.5 kW, Wasser-Glykol-Kältespeicher [Motta, 2010]
Abbildung 6.1.4 Solare Weinkühlung, Österreich, 10 kW [Pink, 2007], [Schubert, 2012]
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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Abbildung 6.1.5 Solare Büroklimatisierung mit NH3/H2O Absorber-Versuchsanlage ITW-Stuttgart [Zetz-
sche, 2008]
Aus der Literatur liegen keine Beschreibungen zu Projekten vor, in denen eine Kombination aus
PV – und solarthermischem Kollektorsysteme realisiert wurde. Ein solches System ist zum ei-
nen dann erforderlich, wenn eine Absorptionskältemaschine netzautark betrieben werden soll.
Die PV-Anlage übernimmt dann die Bereitstellung der elektrischen Hilfsenergie. Hierbei muss
neben Wärme-/Kältespeichern zusätzlich ein Speicher für elektrische Energie vorgesehen wer-
den. Nur so ist es möglich, auch in Zeiten ohne ausreichende Sonneneinstrahlung Hilfsenergie
für das Betreiben der Absorptionskälteanlage bzw. das Entladen eines Kältespeichers bereitzu-
stellen. Denkbar wäre allerdings auch die Integration eines PCM–Speichers direkt in der Kühl-
zelle, um auf elektrische Hilfsenergie zur Speicherentladung verzichten zu können. Werden PV–
und solarthermische Kollektorsysteme in sogenannten Hybridkollektoren kombiniert, ergeben
sich zusätzlich Vorteile. Die Solarzellen werden durch das Abführen thermischer Lasten gekühlt
und können mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten. Auf die gleiche Fläche bezogen erhöht
sich so der Gesamtertrag im Vergleich zu parallel installierten Systemen. Allerdings ist das er-
reichbare Temperaturniveau in bisher verfügbaren Hybridkollektoren kaum für eine solar-
thermische Prozesskälteerzeugung nutzbar.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 113
6.2 Anlagenverfügbarkeit
Thermisch angetriebene Kältemaschinen für Kühltemperaturen ≤ 4 °C sind in Tabelle 6.2.1 auf-
geführt (wiederum ohne Anspruch auf Vollständigkeit). Marktverfügbar sind Anlagen, die auf
dem Wirkprinzip der Absorption beruhen und mit dem Stoffpaar NH3/H2O betrieben werden.
In der Literatur werden zudem F&E-Projekte beschrieben, bei denen mit Hilfe von diskontinu-
ierlichen Adsorptionsprozessen mit verschiedenen Stoffpaaren (z.B. Zeolite/H2O, Silica
Gel/H2O, Aktivkohle/Methanol) Eis erzeugt wurde [Dalibard, 2008]. Das Wärmeverhältnis der
bisherigen Entwicklungen liegt jedoch unter dem von Absorptionssystemen mit Ammoni-
ak/Wasser.
Hersteller Produkt Kältemittel/
Sorptions-mittel
Kälte-leistung
[kW]
Kälteträger-temperatur
EERTD Status
Pink GmbH (AT)
Pink Chiller PC19
NH3/H2O 12 – 20 ≥ -5 °C 0.46 – 0.72 Serie
Robur (IT) ACF-RTCF LB NH3/H2O 13 – 67 ≥ -10 °C 0.49 – 0.67 Pilot (Umrüstung
Gas-AbKM)
AGO (DE) congelo NH3/H2O 50 – 1000 -30 – 3 °C 0.46 Projektspez.
Anlagen
Colibri (NL) S-,M-,AD-
und C-Serie NH3/H2O 150 – 10 000 -60 – 10 °C 0.3 – 0.7
Projektspez. Anlagen
ILK (DE) NH3-AKM NH3/H2O 30 – 800 -30 – 10 °C 0.45 – 0.65 Projektspez.
Anlagen
Köhler Industries (DE)
EcoFreeze NH3/H2O 40 – 250 -30 – 0 °C Projektspez.
Anlagen
Tabelle 6.2.1 Verfügbare thermisch angetriebene Kältemaschinen für Kühltemperaturen ≤ 4 °C
Wie sich aus der technischen Analyse ableiten lässt, ist der Einsatz weiterer Komponenten für
den Betrieb einer thermisch angetriebenen Kältemaschine im Bereich der Prozesskälteerzeu-
gung in verschiedenen Kombinationen denkbar:
Rückkühlwerke:
Trockenkühler
Nasskühlturm
Hybridkühler
Solarkollektoren:
PV (Dünnschicht, kristallin)
Solarthermisch (flach, Vakuumröhre, konzentriert)
Hybrid (PV+Thermie)
Speichersysteme
PCM-Speicher (z.B. Eis)
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Kalt-/Heißwasserspeicher
Backup-Systeme
Bereitstellung von Antriebswärme (z.B. gas- oder biomassebefeuerte Systeme, Fern-
wärme)
(Netz-)Elektrische Kälteerzeugung über KKM
Rückkühlwerke, Solar-Kollektoren und Backup-Systeme kommen auch in vielen anderen Berei-
chen der Heizungs-, Klima- und Energietechnik zum Einsatz. Diese Komponenten sind in ver-
schiedenen Leistungsklassen und Varianten auf dem Markt verfügbar, sodass im Rahmen dieser
Studie keine Auflistung von Herstellern erfolgt.
Gleiches gilt für Speichersysteme, besonders für Kalt- und Heißwasserspeicher, allerdings nur
innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches. So muss bei Speichertemperaturen von un-
ter 0 °C im Bereich der Prozesskälte ein spezielleres Anwendungsgebiet der Kältespeicher er-
schlossen werden. Die Verwendung von reinem Wasser in einem Eisspeicher ist dann nicht
mehr ausreichend. Dennoch kann das Prinzip der Kältespeicherung durch Nutzung der Schmel-
zenthalpie von Stoffen / Stoffgemischen zum Einsatz kommen. Abbildung 6.2.1 gibt einen Über-
blick zu Materialklassen, die für PCM-Speicher prinzipiell zur Anwendung kommen können. Im
Temperaturbereich unter 0 °C sind hier Wasser-Salz-Gemische aufgeführt. In Abbildung 6.2.2
sind beispielhaft Schmelztemperaturen von kommerziell verfügbaren PCM dargestellt. Es zeigt
sich, dass Stoffe bzw. Stoffgemische mit geringen Schmelztemperaturen relativ geringe Werte
bezüglich ihrer spezifischen Schmelzenthalpie aufweisen. Dennoch sind auch für den hier be-
trachteten Anwendungsbereich mit Temperaturen von bis zu -20 °C … 30 °C PCM zu finden, die
Werte von über 200 J/g aufweisen (vgl. Wasser: 333.5 J/g).
Abbildung 6.2.1 Materialklassen für PCM-Speicheranwendungen (Beispiele) [Waschull, 2012]
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Abbildung 6.2.2 Kommerzielle PCM-Speichermaterialien (Beispiel: Phase Change Material Products
Ltd.) [Waschull, 2012]
6.3 Erarbeitung und Vergleich beispielhafter Systemkonfigurationen
6.3.1 Anforderungen
Die Anforderungen im Bereich Prozesskühlung unterscheiden sich in den meisten Fällen deut-
lich von denen der Gebäudekühlung, v.a. hinsichtlich:
1. Temperaturniveau der Kältebereitstellung. Bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen der
Prozesskühlung sind Nutztemperaturen zum Teil deutlich unter 6 °C erforderlich (z.B.
Nahrungsmittelindustrie, Handel, chemische Industrie).
2. Höhere Betriebsstundenzahl der Kälteanlage aufgrund häufigerer bis permanenter Last-
anforderung. Teilweise sind ganzjährige, kontinuierliche Kältelasten zu decken.
Diese Anforderungen führen zu anderen Rahmenbedingungen beim Einsatz solarer Kühlsyste-
me verglichen mit denen der Gebäudekühlung. Deren Auswirkungen in energetischer und wirt-
schaftlicher Hinsicht sollen durch verschiedene Modellrechnungen genauer beleuchtet werden.
6.3.2 Solarthermische Kälteerzeugung
Ein solarthermisches Kälteerzeugungssystem (Absorptions- / Adsorptionskälteanlagen) ist ge-
kennzeichnet durch den Bedarf an Antriebswärme. Im Bereich der Prozesskältebereitstellung
wird meist eine hohe Versorgungssicherheit gefordert. Unter Nutzung rein solarer Antriebs-
wärme und begrenzter thermischer Speicherkapazität, wird dadurch die Integration eines Ba-
ckup-Systems bzw. eine Kombination des solar angetriebenen Kältesystems mit alternativen
Kälteerzeugungssystemen notwendig.
Der Einsatz von thermischen Speichern ermöglicht die Steigerung des solaren Deckungsgrades
bei der Kälteerzeugung. Ein Speicher auf der warmen Seite kann zum einen als Pufferspeicher
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dienen, wodurch sich Schwankungen bei der solaren Einstrahlung (z.B. aufgrund von Bewöl-
kung) nicht direkt auf die AbKM und deren Regelverhalten auswirken. Zum anderen muss die
AbKM nicht größer als für die Deckung der Kältelast notwendig dimensioniert werden, da
Überkapazitäten bei der solaren Einstrahlung zu einem späteren Zeitpunkt geringer Einstrah-
lungswerte genutzt werden können. Nachteilig sind die hohen Speichertemperaturen und die
damit verbundenen hohen Verluste. Ein Speicher auf der kalten Seite der Kältemaschine kann
hier Vorteile bringen, da die Temperaturdifferenzen zur Umgebung am Aufstellungsort ggf. ge-
ringer sind. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil, dass bei Wärmeverhältnissen < 1 geringere
Wärmebeträge vorgehalten werden müssen als auf der warmen Seite. Nicht zuletzt können
Speicher auf der kalten Seite in Abhängigkeit der Kühlaufgabe direkt im zu kühlenden Bereich
integriert werden (z.B. in der Kühlzelle). Hierdurch entstehen nur geringe bis keine Energiever-
luste durch einen zusätzlichen Wärmeeinfall. Bei Verwendung von PCM lassen sich kompakte
Speicherlösungen realisieren. Nachteilig sind die niedrigen Ladetemperaturen und die höhere
Kälteanlagenleistung während des Ladevorgangs.
Im Folgenden werden zwei mögliche Varianten der solarthermischen Prozesskühlung vorge-
stellt.
6.3.3 Kompressions-Absorptions-Kaskade
Bei einer Kompressions-Absorptions-Kaskade wird der zu erreichende Temperaturhub in min-
destens zwei Stufen von zwei separaten Kälteanlagen realisiert. Der untere Temperaturhub
kann von einer KKM, der obere von einer AbKM übernommen werden. Bei konstanter Kälte-
nutztemperatur ist die Summe des Temperaturhubs von der Temperatur der Wärmesenke des
Gesamtsystems abhängig. Im Falle eines luftgekühlten Systems entspricht dies der Lufttempe-
ratur der Umgebung. Tages- bzw. jahreszeitliche Schwankungen sind durch die gut regelbare
Kompressionskältemaschine ausgleichbar (Abbildung 6.3.1). Dies gilt auch für einen variablen
Temperaturhub der AbKM aufgrund schwankender Temperaturen der Antriebswärme.
-40 °C0,79 bar
+33 °C; 13,5 bar
-10 °C; 2,79 bar
AKM
KKM
Sommer
KKM
Frühjahr,Herbst
ΔT = +33 K
0 °C; 4,3 bar
+23 °C; 9,4 bar
+13 °C; 6,8 bar
AKM
KKM
AKM
-20 °C; 1,9 bar
Winter
Antriebswärme el. Energie Kälte Abgeführte Wärme
Abbildung 6.3.1 Prinzipielle Funktionsweise einer Absorptions-Kompressionskaskade zur Tiefkälteer-
zeugung mit variabler Mitteltemperatur bzw. konstantem Temperaturhub der AbKM bei variablen Außen-
temperaturen.
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Allerdings muss jede der in einer Kaskade verschalteten Anlage – trotz des ggf. reduzierten
Temperaturhubs – die volle Kälteleistung bereitstellen. Ein reduziertes Wärmemengenangebot
und eine damit reduzierte Kälteleistung der AbKM lässt sich mit dieser Verschaltung nicht ohne
weiteres durch die KKM kompensieren. Bei einem fluktuierenden Wärmeangebot, wie im Be-
reich der Solarthermie, sind dann Wärmespeicher erforderlich. Die KKM muss so ausgelegt
werden, dass bei nichtvorhandener Antriebswärme der gesamte Temperaturhub ohne AbKM-
Unterstützung überwunden werden kann.
Zur Kopplung der Kaskadenstufen sind mindestens zwei Varianten denkbar:
• zusätzlicher Zwischenkreislauf (Kühlen des KKM Kondensators über AbKM Verdampfer
durch Umpumpen einer Sole) → Nutzung verfügbarer Komponenten, aber Effizienzver-
lust durch zweifachen Wärmeübergang
• Kombination von AbKM Verdampfer mit KKM Kondensator in einem WÜ → direkte
Wärmeübertragung und damit höhere Effizienz, aber Entwicklungsaufwand (Ab-
bildung 6.3.2)
Das System mit einer Kompressions-Absorptions-Kaskade ist vor allem bei hohen geforderten
Temperaturhüben sinnvoll. Dann kann verfügbare AbKM-Antriebswärme optimal ausgenutzt
werden.
Abbildung 6.3.2 Solarthermisches System zum Antrieb der Absorptions-Stufe einer Kompressions-
Absorptions-Kaskade; bei nicht vorhandener Antriebswärme wird die KKM zweistufig betrieben
6.3.4 Absorptionskälteanlage mit Kompressionskälte-Backup
Die Variante Absorptionskälteanlage mit Kompressionskälte-Backup besteht aus zwei parallel
arbeitenden Kälteanlagen, die beide in der Lage sind, den gesamten benötigten Temperaturhub
zu erbringen (Abbildung 6.3.3). Die Kompressionskälteanlage kann hierbei mit Strom aus dem
Netz oder einem Dieselgenerator angetrieben werden. In der Variante mit Dieselgenerator wä-
re zudem die Nutzung der Abwärme des Stromerzeugers zum Antrieb der AbKM möglich.
Die KKM liefert in dieser Variante immer den von der AbKM nicht zu deckenden Kältebedarf.
Diese Kombination erscheint vorrangig bei moderaten Kältenutztemperaturen sinnvoll und
bietet insbesondere in Anwendungen mit variabler Kältelast oder bei gleichzeitig bestehendem
(solarthermisch zu deckendem) Prozesswärmebedarf (z.B. in Molkereien, Brauereien, Lebens-
mittelindustrie) weitgehende Flexibilität.
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+33 °C
-10 °C
AKM KKM
rein solar(starke
Solarstrahlung)
solar / elektrisch (schwache
Solarstrahlung)
ΔT = +39 K
0 °C
+23 °C
+13 °C
rein elektrisch(keine
Solarstrahlung)
AKM KKM
Antriebswärme el. Energie Kälte Abgeführte Wärme
Abbildung 6.3.3 Prinzipielle Funktionsweise einer solarthermisch betriebenen Absorptionskälteanlage
zur Prozesskühlung mit Backup durch eine Kompressionskältemaschine (KKM)
6.3.5 Solarelektrische Kälteerzeugung
Bei der solarelektrischen Kälteerzeugung können im einfachsten Fall klassische Kompressions-
kälteanlagen zum Einsatz kommen. Die nötige elektrische Energie wird zum Teil aus dem Ver-
bundnetz bezogen, zum Teil aus einer PV-Anlage. Ein thermischer Speicher ist nicht zwingend
erforderlich, da von einem netzgekoppelten System ausgegangen wird. Die solare Deckung
kann jedoch durch den Speichereinsatz erhöht werden, was zur Entlastung des Stromnetzes
führt. Die Höhe der solaren Deckung ist von der Dimensionierung der Kälteanlage, der PV-
Anlage und des thermischen Speichers abhängig.
6.4 Simulationsrechnungen und -modelle
6.4.1 Randbedingungen und Systemauswahl
Als beispielhafte Anwendung wird das Kühlen von Frischprodukten gewählt. Die Kältevertei-
lung erfolgt indirekt über einen sekundären Kälteträgerkreislauf. Für eine detailliertere Sys-
tembetrachtung und die anschließend umgesetzte vergleichende Berechnung finden folgende
Anforderungen Berücksichtigung:
• geforderte Lufttemperatur im Kühlraum: +4 °C
• ganzjährig konstante Kälteleistung: 50 kW
Die Systeme sollen als Solekühler mit einer Solevorlauftemperatur von -2 °C und einer Rück-
lauftemperatur von +2 °C betrieben werden. Dieser Temperaturbereich lässt sich mit wasser-
basierten Kälteträgern abdecken, denen aus Kostengründen und Aspekten der Klimawirksam-
keit in diesem Fall der Vorrang gegeben wird. Bei der Auslegung der Systeme wird die Verfüg-
barkeit eines stabilen Stromnetzes vorausgesetzt, sodass netzautarke Systeme nicht explizit be-
trachtet werden.
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Aus den diskutierten Systemkonfigurationen werden drei Hauptvarianten abgeleitet bzw. aus-
gewählt:
• rein netzbetriebenes Kompressionskältesystem (Referenz)
• PV-unterstütztes netzgekoppeltes Kompressionskältesystem
• Solarthermisch angetriebenes Absorptionskältesystem mit Backup durch netzgekoppel-
tes Kompressionskältesystem
Bei allen berechneten Varianten wird eine vergleichbare Rückkühlung realisiert. In den Model-
len ist ein Kühlwasserkreislauf mit trockenem Rückkühler vorgesehen. Das Verhalten der Kom-
pressionskältemaschine wird durch die Simulation eines Kältekreislaufes im Modell eingebun-
den. Es liegt die Verwendung des Kältemittels R410A zugrunde.
Die vergleichenden Berechnungen erfolgen mit Klimadaten des italienischen Standortes Paler-
mo. Bei einer jährlichen Einstrahlungssumme von ca. 2 000 kWh/m² können hohe Potentiale
für den Einsatz solarer Kühlung erwartet werden.
Für eine dynamische Anlagensimulation wurden Modelle in dem Programm TRNSYS erstellt.
Details werden im Folgenden für die jeweiligen Systemkonfigurationen kurz erläutert werden.
6.4.2 Netzgekoppeltes Kompressionskältesystem (Referenz)
Als Referenzsystem ist eine Konfiguration ausschließlich mit netzgekoppelter KKM und ohne
solare Unterstützung berücksichtigt (Abbildung 6.4.1). Dieses Referenzsystem wird mit Varian-
ten solar unterstützter Systeme verglichen.
Abbildung 6.4.1 Referenzsystem – netzgekoppelte Kompressionskälteanlage ohne thermische Speicher
Das System wird auf eine Nennleistung von 50 kW bei einer Kälteträgervorlauftemperatur von
-2 °C, einer Verdampfungstemperatur von –6 °C und einer Kondensationstemperatur von 48 °C
(Außentemperatur von ca. 35 °C) ausgelegt. Für diesen Betriebspunkt liefern die Berechnungen
eine Leistungszahl von EER = 2.49 (ohne Rückkühlung) bzw. EER = 2.04 (inkl. Rückkühlung).
Dieser Wert ist relativ hoch verglichen mit gemessenen Werten (luftgekühlter Solekühler: EER
≈ 1.4 bei einer Kälteträgervorlauftemperatur von -2 °C und einer Außentemperatur von 28 °C,
vgl. Abbildung 3.2.15). Allerdings handelte es sich hierbei um eine Einzelmessung. Bei einem
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Vergleich des Berechnungsmodells mit einer Marktübersicht zu wassergekühlten Kaltwasser-
sätzen kann die Plausibilität der errechneten Leistungszahl nachgewiesen werden (siehe Abbil-
dung 6.4.2).
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
0 100 200 300 400 500
EE
R (
wa
sse
rge
kü
hlt
)
Nennkälteleistung [kW]
R410A - Eurovent
R410A - Simulationsmodell
Kühlwasser: 30 / 35 °C, Kaltwasser: 12 / 7 °C
Abbildung 6.4.2 Validierung des Simulationsmodells mit Ergebnissen einer Marktübersicht [Heinrich,
2013] zu wassergekühlten Kaltwassersätzen
Das Kühlwasser wird auf eine feste Differenz zur Außentemperatur (4 K) rückgekühlt. Der im
Modell berücksichtigte Rückkühler kann 73.6 kW Wärme bei Kühlwassertemperaturen von
44 °C / 39 °C und Außentemperaturen von 35 °C abführen. Die elektrische Leistungsaufnahme
des Ventilators beträgt dabei 2.5 kW. Es erfolgt eine Anpassung der Kondensationstemperatur
an die Kühlwassertemperatur, wobei erstere auf einen Minimalwert von 15 °C begrenzt ist.
6.4.3 PV-unterstütztes Kompressionskältesystem
Das PV-unterstützte Kompressionskältesystem beinhaltet neben den Komponenten des Refe-
renzsystems (KKM, Rückkühlung) zusätzlich das PV-Feld sowie einen Kältespeicher (Abbil-
dung 6.4.3).
Abbildung 6.4.3 Solare Kühlung – Bereitstellung der Elektroenergie durch PV-Kollektoren und Ver-
bundnetz; thermischer Speicher auf der kalten Seite
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Bei Außentemperaturen unter dem Auslegungspunkt erhöht sich die bereitstellbare Kälteleis-
tung der KKM aufgrund sinkender Kondensationstemperaturen. Bei ausreichender solarer Ein-
strahlung kann überschüssige Kälteleistung in den Kältespeicher eingespeist werden. Dabei
wird der Speicher mit einer reduzierten Kälteträgervorlauftemperatur von -8 °C (Verdamp-
fungstemperatur KKM von -12 °C) geladen. Die Regelung des Speicherlade- / -entladevorgangs
erfolgt nach einem im Modell hinterlegten Reglungsschema (Tabelle 6.4.1). Ausgehend von ei-
nem PCM-Speicher mit einer Speicherdichte von 93 kWh / m³ werden Berechnungen zu vier
Speichergrößen durchgeführt (0.25 m³ / 0.5 m³ / 1 m³ / 2 m³).
Die modellierten PV-Module sind nach Süden mit 20 ° Neigung ausgerichtet und weisen je nach
Berechnungsvariante eine Fläche von 155 m² / 230 m² / 310 m² auf. Der Nennwirkungsgrad
wird mit 0.13 angenommen, wobei der temperatur- und einstrahlungsabhängige Wirkungsgrad
analog zu den Berechnungen in der Gebäudekühlung nach dem Modell von W. Heydenreich im
Modell hinterlegt ist. Zudem sind Verschaltungsverluste von 2 % und ein maximaler Wirkungs-
grad des Wechselrichters von 96 % berücksichtigt.
Betriebs-modus
Beschreibung KKM-Verdampfungs-
temperatur
Rein solar Starke solare Einstrahlung, Speicher leer Speicher-Bypass deaktiviert, überschüssige Kälteleistung in Speicher, überschüssige elektr. Leistung in Verbundnetz eingespeist
-12 °C
Solar / Verbundnetz
Keine bzw. geringe solare Einstrahlung, Speicher leer Speicher-Bypass aktiv, elektr. Antriebsleistung z.T. aus Verbundnetz
-6 °C
Solar / Speicher
geringe solare Einstrahlung, Speicher nicht leer Speicher-Bypass deaktiviert, Kältebereitstellung über Speicher, solar erzeugte Kälte in Speicher
-12 °C
Speicher Keine solare Einstrahlung, Speicher nicht leer Deckung der Last vollständig über Speicher
KKM deaktiviert
Tabelle 6.4.1 Betriebsmodi des PV-unterstützten Kompressionskältesystems mit thermischem Spei-
cher
Überschüssiger PV-Strom, der nicht zu Deckung der Kühllast bzw. zur Speicherladung einge-
setzt werden kann, wird in das Netz eingespeist. Bei der primärenergetischen Bewertung er-
folgt eine Gutschrift für den eingespeisten Strom entsprechend des landesspezifischen Faktors.
6.4.4 Solarthermische Kühlung
Als Anwendungsbeispiel wird ein solarthermisches System mit Kompressionskälte-Backup ge-
wählt. Die festgelegte Kältenutztemperatur von +4°C ist auch ohne den Einsatz einer Kaskaden-
schaltung realisierbar.
Die Modellierung erfolgt in Anlehnung an das in Abbildung 6.4.4 dargestellte Schema. Die KKM
ist hier als Backup-System in den Kälteträgerkreislauf integriert und kann nach Bedarf zu- bzw.
abgeschaltet werden.
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Zur Steigerung des solaren Deckungsgrades verfügen alle Systemvarianten mit AKM über einen
Speicher für die Antriebswärme, der bei den Betrachtungen in seiner Größe variiert wird. Die
maximale Speichertemperatur wurde auf 170 °C festgelegt.
Abbildung 6.4.4 Thermisches Solarsystem mit Sorptionskältemaschine zur Kältebereitstellung auf Nutz-
temperaturniveau, Backup über elektrisch betriebene KKM
Es wurde das Modell einer Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschine mit folgenden Eigen-
schaften verwendet:
- Kälteleistung 50 kW
- Wärmeverhältnis: 0.6
- Heißwasser: Temperaturen: 136/126 °C, Volumenstrom: 7 260 kg/h
- Kühlwasser: Temperaturen: 39/44 °C, Volumenstrom: 22 911 kg/h
- Kaltwasser: Temperaturen: -2/+2 °C, Volumenstrom: 10 740 kg/h
Der Strombedarf der Lösungspumpe wurde nicht berücksichtigt. Die Absorptionskältemaschine
ist in Betrieb, solange im Speicher Heißwasser mit einer Temperatur > 136 °C vorliegt. Die
Kompressionskältemaschine deckt die Differenz zwischen dem konstanten Kältebedarf von
50 kW und der Kälteleistung der AbKM.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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6.5 Ergebnisse
6.5.1 Netzgekoppeltes Kompressionskältesystem (Referenz)
Das netzgekoppelte Referenzsystem erbringt im Jahresverlauf eine Kältearbeit von 438 MWh.
Der Stromverbrauch des Verdichters beträgt 102.1 MWh, der Kühlwasserpumpe 5.2 MWh und
der Ventilatoren des Rückkühlers 15.2 MWh. Unter Berücksichtigung dieser drei Verbraucher
ergibt sich ein sEER von 3.58.
6.5.2 PV-unterstütztes Kompressionskältesystem
Zur Bewertung des netzgekoppelten photovoltaisch unterstützten Kompressionskältesystems
werden nachfolgende Kenngrößen betrachtet. Die solare Deckung ist definiert durch:
sDPV = EelKKM,solar / EelKKM,gesamt
wobei EelKKM jeweils den Gesamtverbrauch (Verdichter, Kühlwassserpumpe und Ventilatoren
des Rückkühlers) umfasst.
Die relative Primärenergieeinsparung (∆PErel) im Vergleich zum Referenzsystem errechnet sich
mit dem Zusammenhang:
∆PErel = (PEReferenz – PESolareVariante) / PEReferenz
Abbildung 6.5.1 zeigt zunächst die mit verschiedenen PV-Flächen erreichbare Primärenergie-
einsparung für Systemkonfigurationen ohne Kältespeicher. Der stetige Verlauf wird allerdings
nur durch die Berücksichtigung der Einspeisung von überschüssigem PV-Strom in das Netz er-
reicht. Bei einer Kollektorfläche von 155 m² werden 98 % des PV-Stroms zur Kälteerzeugung
eingesetzt. Bei einer PV-Fläche von 230 m² sinkt dieser Anteil auf 83 % und bei 310 m² auf
69 %.
Abbildung 6.5.1 Primärenergieeinsparung in Abhängigkeit der installierten PV-Kollektorfläche für Sys-
teme ohne Kältespeicher
Durch die Integration eines Kältespeichers können der solare Deckungsgrad sowie der Eigen-
verbrauch von PV-Strom erhöht werden, vgl. Abbildung 6.5.2 Bereits vergleichsweise kleine
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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Speicher führen zu einer signifikanten Erhöhung des solaren Deckungsgrades. Die Relevanz des
solaren Deckungsgrades wird jedoch durch die folgenden Abbildungen relativiert.
Abbildung 6.5.3 zeigt, dass die relative Primärenergieeinsparung mit zunehmender Speicher-
größe sinkt, was zunächst unverständlich erscheint. Zwar steigt der solare Deckungsgrad mit
Vergrößerung des Speichers, jedoch arbeitet die Kältemaschine während der Speicherbeladung
mit tieferen Verdampfungstemperaturen und damit geringerer Effizienz. Der sEER sinkt von
3.58 in der Variante ohne Speicher auf 3.29 in der Variante mit 93 kWh Speicherkapazität.
Dadurch erhöht sich der Gesamtstromverbrauch des Systems.
Abbildung 6.5.2 Solare Deckung und Eigenverbrauchsanteil in Abhängigkeit der Speichergröße bei kon-
stanter Kollektorfläche (310 m²)
Abbildung 6.5.3 Relative Primärenergieeinsparung gegenüber dem Referenzsystem in Abhängigkeit der
Speichergröße bei konstanter PV-Kollektorfläche (310 m²) mit Netzeinspeisung überschüssigen PV-Stroms
In Abbildung 6.5.4 sind zur Verdeutlichung die absoluten Werte für den Gesamtstrombedarf zur
Kälteerzeugung, die mögliche gesamte PV-Stromerzeugung sowie die zur Kälteerzeugung nutz-
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 125
bare Strommenge gegenüber gestellt. Weiterhin ist die relative Primärenergieeinsparung bezo-
gen auf die Referenz für den Fall dargestellt, dass überschüssiger PV-Strom nicht in das Netz
eingespeist wird und somit keine primärenergetische Gutschrift erfolgt.
Dabei wird deutlich, dass die Integration eines Kältespeichers unter den gewählten Annahmen
hinsichtlich Verdampfungstemperaturen, Betriebsregime usw. nicht zu einer signifikanten Er-
höhung der Primärenergieeinsparung führt. Selbst bei der größten Speichervariante ist die Käl-
temaschine nur 120 Stunden im Jahr außer Betrieb und die Versorgung erfolgt ausschließlich
über den Speicher. Mit einer Kältemaschine höherer Nennleistung könnte noch mehr PV-Strom
zur Kälteerzeugung verwendet und die Nutzung des Speichers verbessert werden. Eine wesent-
liche Steigerung der solaren Deckung sowie der Primärenergieeinsparung ist aber erst bei
gleichzeitiger Vergrößerung von PV-Feld und Kältemaschinenleistung zu erwarten.
Abbildung 6.5.4 Einfluss der Speichergröße auf den Gesamtstrombedarf zur Kälteerzeugung, den zur
Kälteversorgung nutzbaren PV-Strom sowie die relative Primärenergieeinsparung ohne Netzeinspeisung
überschüssigen PV-Stroms
6.5.3 Solarthermische Kühlung mit netzelektrischem Kompressions-Backup
In die Bewertung der solarthermischen Variante fließen neben den bereits in der Referenz be-
rücksichtigten Verbrauchern die elektrischen Hilfsenergieverbräuche für die Pumpen des So-
larkreislaufes sowie des Heiz- und Rückkühlkreises der AKM ein. Im Folgenden sind die Ergeb-
nisse der Systemsimulationen zusammengefasst. Abbildung 6.5.5 zeigt die relative Primärener-
gieeinsparung in Abhängigkeit der Speichergröße für vier verschiedene Kollektorflächen.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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Abbildung 6.5.5 Solare Deckung in Abhängigkeit der Speichergröße und installierten Kollektorfläche
Abbildung 6.5.6 zeigt den Verlauf des solaren Deckungsanteils für die gleichen Konfigurationen.
Aus beiden Darstellungen können Abschätzungen sinnvoller Speichergrößen für verschiedene
Kollektorflächen abgeleitet werden.
Abbildung 6.5.6 Primärenergieeinsparung unter Variation der installierten Kollektorfläche und Spei-
chergröße
Ein direkter Vergleich der PV-gestützten und der solarthermischen Variante kann anhand der
Simulationsrechnungen nur qualitativ erfolgen. Vergleicht man den solaren Deckungsgrad und
die relative Primärenergieeinsparung der solarthermischen Variante mit 400 m² Kollektorflä-
che und einer optimalen Speichergröße von 10 m³ mit der photovoltaisch angetriebenen Vari-
ante mit 310 m² Kollektorfläche und einer Speichergröße von 1 m³ (entsprechend 93 kWh)
werden Vorteile der PV-Variante deutlich. Sie erreicht bei geringerer Kollektorfläche einen so-
laren Deckungsanteil von 44 % gegenüber 26 % in der solarthermischen Variante. Die relative
Primärenergieeinsparung der PV-Variante liegt mit 38 % ebenfalls deutlich über dem Wert der
solarthermischen Variante mit 26 %.
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Die Simulationsrechnungen wurden mit dem vom ISE im Teil zur Komfortklimatisierung ermit-
telten mittleren Kennwerten für Vakuumröhrenkollektoren durchgeführt (c0 = 0.67; c1 = 0.8
W/m²K; c2 = 0.005 W/m²K² Ausrichtung: Süd, Neigung: 20 °). Der jährliche Kollektorkreiswir-
kungsgrad beträgt in den berechneten Varianten 26 bis 29 %.
Konzentrierende Kollektoren (Parabolrinnen, Fresnel) können an Standorten mit hohem Di-
rektstrahlungsanteil höhere spezifische Jahreserträge und damit höhere solare Deckungsbei-
träge erreichen als Vakuumröhrenkollektoren. Im Rahmen dieser Studie wurden keine kon-
zentrierenden Systeme berechnet. Vergleichende Aussagen zur Leistungsfähigkeit gegenüber
der PV-Variante können daher nicht getroffen werden.
Bezüglich der Energiespeicherung wird in dem gewählten Beispiel der signifikante Vorteil der
Wärmespeicherung mit Phasenwechselmaterialien (z.B. Wasser/Eis) deutlich. Die mit dem Eis-
speicher ausgestattete PV-Variante benötigt ein deutlich kleineres Speichervolumen als der
Heißwasserspeicher in der solarthermischen Variante. Bei Verwendung von Ammoni-
ak/Wasser-AbKM könnte ebenfalls ein Eisspeicher auf der kalten Seite eingesetzt werden. Al-
lerdings müsste die AbKM dann auf eine höhere Leistung sowie für niedrigere Kältetemperatu-
ren ausgelegt werden. Zudem würden höhere Antriebstemperaturen benötigt.
Unter den gewählten Randbedingungen liegen die energetischen Vorteile auf Seiten der PV-
Variante mit Kompressionskälte. Durch den Einsatz von konzentrierenden Kollektoren kann die
Leistungsfähigkeit der thermischen Variante verbessert werden.
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7 Veröffentlichungen
Tagungsbeiträge
P. Zachmeier et al.: Potential and Limits of Solar Thermal and Solar Electrical Cooling. 4th Interna-
tional Conference Solar Air-Conditioning, 12.-14. Oktober 2011, Larnaka, Zypern
M. Safarik, C. Schweigler, E. Wiemken, P. Zachmeier: Assessment of perspectives of Solar Cooling
Technologies. International Sorption Heat Pump Conference (ISHPC), 6.-8. April 2011, Padua, Italien
K. Hagel et al.: Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenz-
technologien – Analyse von solar-thermischer und photovoltaisch gespeister Kälteerzeugung. 22.
Symposium Thermische Solarenergie 9.-11. Mai 2012, Kloster Banz, Bad Staffelstein
B. Nienborg, E. Wiemken, A. R. Petry Elias, P. Zachmeier, M. Safarik, F. P. Schmidt, C. Glück: EVASOLK
- Perspektiven von solarthermischer und photovoltaischer Kühlung. Gleisdorf Solar 2012, 12.-14.
September 2012, Gleisdorf, Österreich
E. Wiemken, B. Nienborg, A. R. Petry Elias: Evaluation of Solar Cooling in Comparison to Reference
Technologies. Eurosun 2012, 18.-20. September 2012, Rijeka, Kroatien
S. Wittig, M. Safarik, P. Zachmeier: Monitoring und Effizienzermittlung - Vier Kompressionskältesys-
teme in unterschiedlichen Anwendungen. Deutsche Kälte-Klima-Tagung, Würzburg, 2012
E. Wiemken, B. Nienborg, A. R. Petry Elias, J. Döll: EVASOLK – Perspektiven Solarer Kühlung.
23. Symposium Thermische Solarenergie, 24.-26. April 2013, Kloster Banz, Bad Staffelstein
E. Wiemken, A. R. Petry Elias, B. Nienborg: Aspects on solar thermally driven heating and cooling
and PV supported energy supply in buildings. 5th International Conference Solar Air-Conditioning,
25.-27. September 2013, Bad Krozingen
Fachvorträge
E. Wiemken, M. Safarik, M. Riepl: Evaluierung der Chancen und Grenzen von solarer Kühlung im
Vergleich zu Referenztechnologien – Analyse von solarthermischer und photovoltaisch gespeister
Kälteerzeugung. BMU-Statusworkshop Solare Kühlung, 6. November 2012, Berlin
S. Wittig, M. Safarik: Monitoring und Effizienzermittlung von Kompressionskältesystemen - Techno-
logievergleich solarer Kühlung. DKV Bezirksverein Sachsen, 3. Dezember 2012, Dresden
M. Safarik: Monitoring und Effizienzermittlung von Kompressionskältesystemen - Technologiever-
gleich solarer Kühlung. DKV Bezirksverein Berlin-Brandenburg, 4. Dezember 2012, Berlin
M. Safarik, S. Wittig, P. Zachmeier: Monitoring of different compression systems within the EvaSolK-
Project. IEA SHC Task 48, 4th Expert Meeting, 10. April 2013, Newcastle, Australien
M. Safarik, K. Hagel: Monitoring und Effizienzermittlung verschiedener Kompressionskältesysteme.
DKV Bezirksverein München, 13. Mai 2013, München
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 129
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[Motta, 2010] M. Motta: Solar cooling in Tunisia (and Marocco): results from two projects with concentrating collectors. Tagungsbeitrag zu 4. Internationales Symposium Solares und Erneuerbares Kühlen, Stuttgart, 2010 [Phaesun, 2011] Phaesun: Factsheet: Container Systems, 2011. URL: http://www.phaesun.com/fileadmin/user_upload/_Phaesun_Corporate_Website/Downloads/Factsheets/PN_Factsheet2011_ContainerSystems.pdf [Pink, 2007] W. Pink: Solare Kühlung - Absorptionskältetechnologie im kleinen Leistungsbereich, Tagung plan Sol, Eisen-stadt, 2007 [Schubert, 2012] M. Schubert: Energy services and economics of solar cooling plants. Tagungsbeitrag zu 4. Internationales Symposium Solares und Erneuerbares Kühlen, Stuttgart, 2010 [UBA, 2011] Umweltbundesamt, Studie: „Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid Emission des deutschen Strommix 1990-2010 und erste Schätzung 2011“ http://www.umweltbundesamt.de/energie/archiv/co2-strommix.pdf
[Vahlenkamp, 2007]
T. Vahlenkamp (Editor): Kosten und Potenziale der Vermeidung von Treibhausgasemissionen in Deutschland
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Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 131
[Voss, 2010]
K. Voss et al.: Load-Matching and Grid Interaction of Net Zero Energy Buildings. Tagungsbeitrag zur EuroSun
2010, Graz
[Waschull, 2012] J. Waschull: Latentwärmespeicherung in der Kälte- und Klimatechnik. Präsentation DKV-Bezirksverein Sach-sen, 2012 [Zetzsche, 2008] M. Zetzsche, T. Koller, H. Müller-Steinhagen: Solar Cooling with an Ammonia-Water Absorption Chiller. Ta-gungsbeitrag zur EuroSun 2008, Lissabon
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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Anhänge
Die Hauptnummern der Anhänge verweisen auf die zugehörige Kapitelnummer
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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Anhang A5.1 – Nomenklatur
AbKM Absorptionskältemaschine
AdKM Adsorptionskältemaschine
EERKKM Energy Efficiency Ratio einer elektrisch betriebenen Kompressionskältema-schine: elektrische Leistungszahl [ kWNutzkälteleistung / kWel ]
EERTKM Energy Efficiency Ratio einer thermisch angetriebenen Kältemaschine: Wärmeleistungsverhältnis Kälteleistung / Antriebswärmeleistung [ kWNutzkälteleistung / kWAntriebswärmeleistung ]
FK Flachkollektor
GK Gaskessel
KKM Kompressionskältemaschine, elektrisch betrieben
Kollektor-Nutzungsgrad Kollektorertrag (z.B. Jahresertrag), bezogen auf die Einstrahlungssumme des gleichen Zeitraums in Kollektorebene [ kWhthermisch / kWhEinstrahlung ]
LiK linear-konzentrierender Kollektor
PE Primärenergie
Q0 Nennkälteleistung der Kälteanlage
sEERKKM Energy Efficiency Ratio, saisonaler Wert, einer elektrisch betriebenen Kom-pressionskältemaschine: saisonale elektrische Arbeitszahl [ kWhNutzkälte / kWhel ]
sEERTKM Energy Efficiency Ratio, saisonaler Wert, einer thermisch angetriebenen Käl-temaschine: saisonales Wärmeverhältnis Nutzkälte / Antriebswärme [ kWhNutzkälte / kWhAntriebswärme ]
sEERTKM,el Energy Efficiency Ratio, saisonaler Wert, einer thermisch angetriebenen Käl-temaschine: saisonale elektrische Arbeitszahl [ kWhNutzkälte / kWhel ]
Spezifischer Kollektorertrag Jahreskollektorertrag, bezogen auf die installierte Kollektorfläche (Aperturfläche) [kWhthermisch / m² ]
TKM thermisch angetriebene Absorptions- oder Adsorptionskältemaschine
Volllast-Betriebsstunden Nutzertrag (z.B. Nutzkälte) bezogen auf die Nennleistung der Komponente [kWh / kWP_nenn ]
VRK Vakuumröhrenkollektor
WP Kompressionswärmepumpe, elektrisch betrieben
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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Anhang A5.2 – Standorte (solare Kühlung in Gebäuden)
Standort Koordi-
naten
Ein-
strahlung
global, horizon-
tal
Ein-strahlung
direkt,
normal
Tempera-
tur: Höchst-
wert (Monats-
mittel)
Tempera-
tur: Tiefst-
wert (Monats-
mittel)
Gradtag-zahl20/15
VDI
2067*
Kühl-
gradtag-zahl20/20
Klima-region
nach
Köppen
Klima-
region
nach Troll /
Paffen
Daten-
quelle
° Breite ° Länge
kWh/m² kWh/m² °C °C K K
Berlin DE 52.53
13.42 1017 914 18.7 -1.0 3780 49 Cfb III,3 M6
Bonn DE 50.73
7.10 973 789 19.0 2.6 3260 60 Cfb III,3 M6
Kassel DE 51.30 9.50
978 804 18.4 0.9 3650 33 Cfb III,3 M6
Stuttgart DE 48.78
9.20 1088 961 19.1 0.6 3545 64 Cfb III,3 M6
Passau DE 48.57
13.45 1102 ** 17.4 -2.6 4110 30 Cfb III,3
DWD-
TRJ
Freiburg DE 48.00
7.85 1101 975 19.6 1.6 3320 84 Cfb III,3 M6
Stras-
bourg FR
48.58 7.75
1100 932 20.1 1.8 3190 100 Cfb III,3 M6
Toulouse FR 43.62
1.45 1337 1249 22.4 6.3 2330 226 Cfb III,2 M6
Athen GR 38.00
23.73 1582 1483 28.,1 10.7 1190 819 Csa IV,1 M6
Palermo IT 38.10
13.38 1716 1807 26.8 12.8 804 709 Csa IV,1 M6
Madrid ES 40.41
-3.71 1641 1769 26.4 6.4 2090 605 BSk/Csa IV,1 M6
Sevilla ES 37.40
-5.98 1754 1881 28.3 11.4 872 992 Csa IV,1 M6
Granada ES 37.17
-3.58 1756 1923 26.2 6.9 1885 571 Csa IV,1 M6
Antalya TR 36.89
30.70 1802 1959 28.7 6.5 1012 959 Csa IV,1 M6
Tunis TN 36.84 10.22
1805 1906 28.2 9.0 903 866 Csa IV,1 M6
Bechar DZ 31.62
-2.23 2113 2569 33.5 9.9 972 1770 BWh IV,5 M6
Quarza-
zate MA
30.93 -6.90
2134 2533 31.1 9.6 1090 1205 BWh/BS
k IV,2 M6
Charakteristische Merkmale repräsentativer Standorte in Mittel-/Südeuropa und Nordafrika. In der Ver-gleichsstudie (AP4) werden für Anwendungen in Mittel-/Südeuropa meteorologische Daten der hellblau unterlegten Standorte verwendet; für Untersuchungen mit konzentrierender Kollektortechnik werden Daten der dunkelblau unterlegten Standorte herangezogen.
* Durch die Verwendung von Temperaturdaten aus der METEONORM© Datenbank können die Gradtag-zahlen geringfügig von den Angaben aus anderen Quellen für die gleichen Standorte abweichen.
** nicht ausgewertet
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Freiburg
Palermo
Bechar
Zur Auswahl der Standorte wurden unter anderem die Einstrahlungsverteilungen und Einstrahlungshäu-figkeiten herangezogen, hier auszugsweise für drei Standorte (Deutschland, Italien und Algerien) darge-stellt.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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Anhang A5.3 – Anwendungen (solare Kühlung in Gebäuden)
Gebäudemodelle
In der Simulationsstudie werden die Gebäudemodelle getrennt von den Klimatisierungs-systemen simu-
liert. Durch die vom System entkoppelte Gebäudesimulationen werden die Heiz- und Kühllasten berech-
net, die in einem weiteren Schritt in den Systemsimulationen eingesetzt werden. Im Folgenden werden
die Gebäudemodelle beschrieben, die zur Erstellung der Lastdaten eingesetzt werden.
Anwendung A (Wohngebäude)
Als Gebäudemodell in Anwendung A dient ein 3-stöckiges Mehrfamilienhaus mit 6 Wohneinheiten mit
den Abmaßen von 8,6 m x 23,4 m x 10 m (Höhe x Länge x Breite). Die Grundfläche einer Wohneinheit be-
trägt ca. 90 m², womit sich eine klimatisierte Gesamtgrundfläche von etwa 540 m² ergibt. Die Fensterflä-
che beträgt an allen Außenfassaden 20 %, außer an der Südfassade, dort beträgt sie 25 %. Zur Reduzie-
rung des Simulationsaufwands wurden die ersten beiden Wohneinheiten (Grund-und erstes Geschoss)
auf jeweils beiden Seiten des Treppenhauses zu einer thermischen Zone zusammengefasst. Das Treppen-
haus bildet eine separate thermische Zone, die nicht klimatisiert wird. Der Gebäudestandard richtet sich
nach den Anforderungen für Wohngebäude (Neubau) aus der EnEV 2009. Die darin enthaltenen Vorga-
ben zu den Wärmedurchgangs-koeffizienten (U-Werten) von Außenflächen und Fenster werden durch
das Modell eingehalten.
Die Abbildung unten links zeigt das Belegungsprofil der Anwendung A. Über das Profil wird die Wärme-
abgabe der Bewohner bestimmt. Weitere interne Wärmequellen wie Geräte oder Beleuchtung werden
durch ein weiteres Profil berücksichtigt. Das Profil ist in der Abbildung unten rechts dargestellt.
Anwendung A: Belegungsprofil (Mehrfamilienhaus) an Werktagen und am Wochenende (links) und tägli-
ches Profil der sonstigen spezifischen internen Wärmelasten pro Quadratmeter Wohnfläche (rechts).
Für die Anwendung A wurde neben der Heiz- und Kühllastdatei auch eine Datei mit einem Brauchwarm-
wasserzapfprofil erstellt, um in der Systemsimulation den Energieaufwand zur Erwärmung des Brauch-
warmwassers zu berechnen. Um eine angemessene Dynamik des Zapfprofils abzubilden, wurden auf sta-
tischen, periodischen Profilvorgaben nach Norm verzichtet und mit Hilfe des Programms DHWcalc ein
Zapfprofil erstellt. Dieses verteilt statistisch einen vorher festgelegten mittleren täglichen Warmwasser-
bedarf auf ein einstellbares Grundprofil. Der mittlere tägliche Warmwasserbedarf beträgt 900 Liter pro
Tag, was 50 Liter pro Person und Tag entsprechen.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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Anwendung B (Bürogebäude)
Für die Anwendung B wurde eine Etage eines Bürokomplexes abgebildet, das einen kreuzförmigen
Grundriss hat. Die Etage ist unterteilt in vier klimatisierte Bürozonen, die jeweils in eine Himmelsrich-
tung orientiert sind. Der Korridor ist mittig angelegt und wird nicht klimatisiert. Die Bürozonen sind
identisch in Größe und Belegung und bemessen 3,3 m x 13,2 x 5,6 m (Höhe x Länge x Breite). Das Bild un-
ten zeigt den Grundriss der beschriebenen Büroetage. Das Verhältnis von Fensterfläche zu Außenfassa-
den beträgt 20 %. Die Gesamtfläche pro Etage beträgt etwa 300 m², wobei 259 m² davon klimatisiert
werden. Jede der Bürozonen ist in drei Räume à 22 m² unterteilt. In jedem Büroraum befinden sich Ar-
beitsplätze für zwei Personen, was eine Gesamtbelegung von 24 Personen ergibt.
13.2 m
3.3 m
N
5.6 m
Zugang
etc.
Büro
Flur
Grundriss der Anwendung B (Büroetage). Es wird angenommen, dass die angrenzenden Geschosse ober- und
unterhalb identisch im Aufbau und in der Klimatisierung sind wie das abgebildete Geschoss.
Die untere Abbildung links zeigt das wöchentliche Belegungsprofil für das Modell der Anwendung B, das
die Wärmeabgabe der Personen festlegt. Weitere Wärmelasten, die durch interne Wärmequellen wie
Computer und Beleuchtung entstehen, werden im Profil rechts dargestellt.
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Wär
mel
ast
[ W
/ m
² ]
Werktag Samstag Sonntag
Anwendung B: Belegungsprofil für das Etagenmodell eines Bürogebäudes an Werktagen und am Samstag
(links) und Profil der sonstigen spezifischen internen Wärmelasten pro Quadratmeter Bürofläche (rechts).
Bei der Büroetage wird zwischen zwei Lüftungsvarianten unterschieden: bei der ersten Variante (An-
wendung B) ist ein Zuluftsystem vorgesehen (mittelgroße Bürogebäude), bei der zweiten ein Zuluft-
/Abluftsystem mit Wärmerückgewinnung (Anwendung B+). Die Lüftungsvarianten ergeben unterschied-
liche Heiz- und Kühllastprofile. Die Gebäudegröße und damit die Gesamtheiz- und kühllast wird über die
Anzahl der Büroetagen skaliert.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 138
Anwendung C (Hotelgebäude)
Als Grundlage für die Anwendung C dient eine Etage, die wie die oben beschriebene Büroetage aufgebaut
ist. Das bedeutet, dass die Geometrie, die U-Werte der Außenflächen sowie Fensterflächenanteile iden-
tisch zum Bürogeschoss sind. Die Unterschiede kommen hauptsächlich durch unterschiedliche interne
Wärmequellen und Belegungsprofile (Hotelnutzung) zustande, die eine Klimatisierung und Lüftung zu
anderen Zeiten erforderlich machen. Damit ergeben sich andere Heiz- und Kühllasten. Zusätzlich wird
ein Zapfprofil für das Brauchwarmwasser eingesetzt, das mit dem Programm DHWcalc erstellt wurde.
Die internen spezifischen Wärmelasten pro m² Raumfläche werden im Tagesprofil in der Abbildung un-
ten rechts gezeigt.
Es wird angenommen, dass in jeder der vier thermischen Zonen drei Hotelgäste Platz finden. Das ergibt
bei einer Vollbelegung 12 Gäste pro Hoteletage. Tagsüber verringert sich die Anzahl an anwesenden Ho-
telgästen stufenweise bis auf zwei Personen. Ab 15 Uhr nimmt die Belegung bis zum Erreichen der Voll-
belegung stufenweise zu. Dieses Belegungsprofil wiederholt sich täglich und wird in der Abbildung unten
links dargestellt. Im Hotelgebäude wird neben den Gästezimmern auch der Flur klimatisiert, womit sich
eine klimatisierte Grundfläche von 300 m² ergibt.
Das Gebäudemodell für die Anwendung C wird wie Anwendung B über die Etagenanzahl skaliert. Analog
dazu wird zwischen kleiner (C) und größerer Anwendung (C+) differenziert, die sich neben der Etagen-
anzahl durch das Lüftungssystem unterscheiden.
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Wär
mel
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n [
W /
m²
]
Anwendung C: Tägliches Belegungsprofil (links) und tägliches Profil der spezifischen sonstigen internen
Wärmelasten pro Quadratmeter Raumfläche (rechts).
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 139
kWh/m² kWh/m² kWh/m²
Bonn DE 33.9 15.5 14.4 1.1
Stuttgart DE 38.9 17.2 16.1 1.1
Freiburg DE 35.6 19.6 17.8 1.8
Toulouse FR 16.0 30.4 28.6 1.7
Athen GR 1.9 52.6 51.0 1.7
Palermo IT 0.04 62.0 52.6 9.5
Madrid ES 11.5 40.6 40.4 0.2
Bonn DE 48.0 24.5 23.3 1.2
Stuttgart DE 54.2 26.0 24.7 1.3
Freiburg DE 49.7 29.3 27.0 2.3
Toulouse FR 26.4 43.6 41.3 2.3
Athen GR 6.3 70.3 69.0 1.4
Palermo IT 2.0 78.1 66.7 11.5
Madrid ES 21.2 52.0 51.7 0.3
Antalya TU 4.4 75.8 71.3 4.5
Bechar AG 6.4 93.4 93.4 0.01
Bonn DE 39.0 27.1 25.8 1.3
Stuttgart DE 44.3 28.1 26.8 1.3
Freiburg DE 40.7 31.6 29.1 2.4
Toulouse FR 20.4 46.0 43.6 2.4
Athen GR 4.0 71.5 70.0 1.5
Palermo IT 1.1 80.9 69.0 11.9
Madrid ES 16.0 53.0 52.7 0.3
Antalya TU 2.8 76.4 71.6 4.8
Bechar AG 4.6 91.0 91.0 0.01
Bonn DE 82.6 11.0 8.5 2.5
Stuttgart DE 91.6 12.1 9.6 2.5
Freiburg DE 85.4 15.2 11.4 3.8
Toulouse FR 52.6 25.9 22.0 4.0
Athen GR 20.8 49.9 46.1 3.8
Palermo IT 11.1 61.2 42.1 19.1
Madrid ES 44.8 32.4 31.8 0.6
Antalya TU 17.1 55.8 46.5 9.4
Bechar AG 19.6 69.4 69.4 0.1
Bonn DE 55.4 15.3 13.0 2.3
Stuttgart DE 61.7 16.4 14.0 2.5
Freiburg DE 57.4 19.4 15.7 3.7
Toulouse FR 33.2 30.3 26.5 3.8
Athen GR 10.7 52.6 48.7 4.0
Palermo IT 4.6 65.5 46.1 19.4
Madrid ES 27.5 35.2 34.6 0.5
Antalya TU 8.7 58.4 48.8 9.7
Bechar AG 10.8 67.5 67.4 0.1
Wohngebäude (540 m²)
Büro-Etagenscheibe, mittelgroß (260 m²)
Büro-Etagenscheibe, groß (260 m²)
Hotel-Etagenscheibe, mittelgroß (302 m²)
Hotel-Etagenscheibe, groß (302 m²)
kWh/m²
Heizen, sensibel Kühlen, gesamt Kühlen, sensibel Kühlen, latent
Anwendung A (540 m²)
Anwendung B ; Daten je Scheibe (260 m²)
Anwendung B+ ; Daten je Scheibe (260 m²)
Anwendung C+ ; Daten je Scheibe (302 m²)
Anwendung C ; Daten je Scheibe (302 m²)
Jährlicher spezifischer Heiz- und Kühlbedarf der Anwendungen an den ausgewählten Standorten. In der Systemsimulation werden in den Anwendungen B und C jeweils zwei Gebäudescheiben (Etagen) einge-setzt, in den Anwendungen B+ und C+ jeweils acht Gebäudescheiben.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 140
W/m² W/m² kW kW kW kW kW kW
Bonn DE 50.7 29.8 28.3 27.4 16.1 15.3 24.5 13.6 12.4
Stuttgart DE 53.3 31.1 28.7 28.8 16.8 15.5 26.2 14.3 13.3
Freiburg DE 51.9 30.6 27.8 28 16.5 15 25 15.4 13.3
Toulouse FR 44.1 41.1 33.5 23.8 22.2 18.1 21.6 17.4 14.8
Athen GR 29.1 45.2 39.6 15.7 24.4 21.4 10.8 20.9 19.2
Palermo IT 12.6 46.5 37.0 6.8 25.1 20 0.4 22.4 17.4
Madrid ES 38.9 41.5 41.5 21 22.4 22.4 18.7 19.9 19.9
Bonn DE 89.2 61.9 55.0 23.2 16.1 14.3 19.7 13.5 12.5
Stuttgart DE 91.5 63.1 58.5 23.8 16.4 15.2 20.7 14.8 13.3
Freiburg DE 91.5 73.5 62.3 23.8 19.1 16.2 20.5 16.1 13.8
Toulouse FR 84.6 71.5 62.3 22 18.6 16.2 17.7 17.2 15.6
Athen GR 62.3 86.5 68.5 16.2 22.5 17.8 10 18.1 16.7
Palermo IT 37.7 86.9 65.8 9.8 22.6 17.1 5.6 20.5 16.5
Madrid ES 79.2 71.5 65.4 20.6 18.6 17 16.8 16.2 16
Antalya TU 51.9 88.8 61.5 13.5 23.1 16 8.5 19.5 15.5
Bechar AG 63.1 76.2 76.2 16.4 19.8 19.8 11.5 18.8 18.8
Bonn DE 85.8 61.9 54.6 22.3 16.1 14.2 19.6 13.6 12.5
Stuttgart DE 89.2 63.5 58.1 23.2 16.5 15.1 20.2 14.8 13.4
Freiburg DE 86.9 73.5 62.3 22.6 19.1 16.2 19.7 16.1 13.7
Toulouse FR 78.5 71.5 61.9 20.4 18.6 16.1 17.6 17.2 15.3
Athen GR 60.4 86.2 68.1 15.7 22.4 17.7 8.9 17.9 16.4
Palermo IT 33.8 86.5 65.4 8.8 22.5 17 4.2 20.3 16.1
Madrid ES 74.6 71.5 63.8 19.4 18.6 16.6 16.3 15.9 15.8
Antalya TU 50.0 88.1 60.4 13 22.9 15.7 7.6 18.5 15.3
Bechar AG 61.5 71.2 71.2 16 18.5 18.5 10.5 17.7 17.7
Bonn DE 70.2 30.1 25.2 21.2 9.1 7.6 18.6 8 6.7
Stuttgart DE 74.2 34.8 28.5 22.4 10.5 8.6 19.5 8.6 7.4
Freiburg DE 70.2 37.4 29.1 21.2 11.3 8.8 18.9 9.6 7.4
Toulouse FR 62.3 45.4 35.4 18.8 13.7 10.7 17.2 10.7 9
Athen GR 47.7 51.7 42.4 14.4 15.6 12.8 12 13.3 10.9
Palermo IT 35.4 56.0 36.8 10.7 16.9 11.1 8.1 14.8 10.3
Madrid ES 57.3 43.7 41.4 17.3 13.2 12.5 16.1 10.3 10.3
Antalya TU 40.1 61.3 38.4 12.1 18.5 11.6 10.5 14.9 10.5
Bechar AG 52.6 49.7 49.7 15.9 15 15 13.8 13.1 13.1
Bonn DE 58.9 31.8 27.5 17.8 9.6 8.3 15.5 8.3 7.3
Stuttgart DE 61.9 37.1 29.8 18.7 11.2 9 16.3 9.1 7.8
Freiburg DE 58.6 38.7 30.1 17.7 11.7 9.1 15.6 10 7.8
Toulouse FR 51.7 46.7 35.8 15.6 14.1 10.8 14.3 10.7 9.1
Athen GR 38.1 51.7 42.7 11.5 15.6 12.9 8.8 13.2 10.8
Palermo IT 25.5 55.6 36.8 7.7 16.8 11.1 5.3 14.7 10
Madrid ES 47.7 44.0 41.4 14.4 13.3 12.5 13.2 10.6 10.4
Antalya TU 32.5 61.3 38.1 9.8 18.5 11.5 7.6 14.6 10.3
Bechar AG 43.0 45.0 45.0 13 13.6 13.6 10.8 12.3 12.3
Büro-Etagenscheibe, groß (260 m²)
Büro-Etagenscheibe, mittelgroß (260 m²)
Hotel-Etagenscheibe, mittelgroß (302 m²)
Hotel-Etagenscheibe, groß (302 m²)
Wohngebäude (540 m²)
Lastspitze
Heizen*
sensibel
Lastspitze
Kühlen*
Lastspitze
Heizen*
sensibel
Lastspitze
Kühlen*
Lastspitze
Heizen**
sensibel
Lastspitze
Kühlen**
Lastspitze
Kühlen**
sensibel
W/m²
Lastspitze
Kühlen*
sensibel
Lastspitze
Kühlen*
sensibel
Anwendung A (540 m²)
Anwendung B ; Daten je Scheibe (260 m²)
Anwendung B+ ; Daten je Scheibe (260 m²)
Anwendung C+ ; Daten je Scheibe (302 m²)
Anwendung C ; Daten je Scheibe (302 m²)
Lastspitzen aus den Jahreszeitreihen (Zeitauflösung: 60 Minuten) des Heiz- und Kühlbedarfs an den aus-gewählten Standorten. Flächenbezug: klimatisierte Nutzfläche. * Absolute Lastspitze aus der Jahresdatei ** Lastspitze aus den Jahreslastkurven ohne die 10 höchsten Laststunden. Im Extremfall sinkt
die Heizleistung am Standort Palermo, Anwendung A, dabei bereits von 6.8 kW auf 0.4 kW ab.
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Anhang A5.4 – Konfigurationen (solare Kühlung in Gebäuden)
Kollektor (FK, VRK)
Wärmeübertrager
Heißwasserspeicher
Trinkwasserspeicher
Gaskessel
AKM (Ab; Ad) mit Nasskühlturm
Kaltwasserpuffer
KKM, Kaltwasser oder Split, mit Luftkühler
KKM, Kaltwasser, mit Nasskühlturm
=~~ PV, netzgekoppeltLuft-Wärmepumpe
Flächenheizung
Umluftheizung, fan coils
Umluftkühlung, fan coils
Flächenkühlung
Fraunhofer ISE
Komponentensymbole in den Konfigurationsbildern
Tmax 35°C
QBWW
QHeizen
QKühlen
Tmax 40°C
Trinkwasser-puffer
Heißwasser-speicher
Kaltwasser-puffer
Hydraulische Schaltstation
Stromaufnahme: Außerhalb Bilanzgrenze
Fraunhofer ISE
Beispiel: Standard-Konfiguration der solarthermischen Kühlung mit einstufiger TKM in Anwendungen mit Kühl-, Heiz- und Brauchwarmwasserbedarf. In der hydraulischen Schaltstation wird der Rücklauf aus dem Heizkreis und Brauchwarmwasserkreis entweder direkt wieder zum Gaskessel geführt oder – je nach Speichertemperatur – in dem Heißwasserspeicher zugeführt. Bilanziert werden alle Wärmeflüsse und der Elektroenergieverbrauch aller Komponenten mit Ausnahme des raumseitigen Umluftkühlers (raumseitige Kälteverteilung).
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 142
QBWW
QKühlen
Heißwasser-speicher
Kaltwasser-puffer
TKM2-stufig
KonzentrierenderKollektor
TSoll 8°C
Tmax 40°C
Trinkwasser-puffer
Tmax 60°C
Stromaufnahme: Außerhalb Bilanzgrenze
Fraunhofer ISE
Beispiel: Solarthermische Konfiguration mit 2-stufiger TKM und mit linear-fokussierendem Kollektor. Diese Konfiguration wird an den Standorten Antalya und Bechar für die Anwendungen B+ und C+ unter-sucht (ohne Heizbedarf).
QBWW
QHeizen
QKühlen
Tmax 40°C
Tmax 35°C
Trinkwasser-puffer
Tmax 60°C
ENetz
=~~
Stromaufnahme: Außerhalb Bilanzgrenze Fraunhofer ISE
Beispiel: Referenzsystem in Anwendungen mit Kühl-, Heiz- und Brauchwarmwasserbedarf mit zusätzli-chem PV-Generator in netzgekoppelter Technik (Variante Referenz+PV). Spezielle Maßnahmen zur Erhö-hung der Eigennutzung der solar erzeugten Elektroenergie sind nicht vorgesehen. Die Variante Referenz ist baugleich, aber ohne PV-Systemanteil. Bilanziert werden alle Wärmeflüsse und der Elektroenergie-verbrauch aller Komponenten mit Ausnahme der Verteilungspumpe Heizwasser und des raumseitigen Umluftkühlers (raumseitige Kälteverteilung).
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 143
Anhang A5.5 – Virtuelle Messstellen (solare Kühlung in Gebäuden)
Q_HL
Q_HsTdh
Q_DHW
Tmax 35°C
QBWW
QHeizen
QKühlen
Tmax 40°C
Trinkwasser-puffer
Heißwasser-speicher
Q_ShHs
Q_HhDs
Q_FuBo
Q_CsCl
Q_SunSc
Q_CL
Q_BoHh
Q_TdlCs
Q_HsAm
Q_CcCl
Hydraulische Schaltstation
E_HhHl_p
Tmax 35°C
E_Tdcp
E_Hrp
E_Cc_C
E_Cw_p
QBWW
QHeizen
QKühlen
Tmax 40°C
Trinkwasser-puffer
Heißwasser-speicher
Kaltwasser-puffer
E_ScHs_C
E_ScHs_H
E_BoHh
E_HhDs_p
Hydraulische Schaltstation
Fraunhofer ISE
Erfassung der Wärmemengen (oben) und der Elektrizitätsaufnahme (unten) in der Simulation am Beispiel einer Konfiguration ST.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 144
Anhang A5.6 – Komponentenbeschreibung
Simulationsprogramm
Zur Modellierung der Systemvarianten als auch für die Simulationsberechnungen wurde das Programm
TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation program) eingesetzt, welches am ‚Solar Energy Laboratory‘ der
Universität von Wisconsin-Madison (USA) entwickelt wurde. TRNSYS ist ein dynamisches Simulations-
programm mit einer modularen Struktur, welches zur Modellierung und Simulation von Gebäuden als
auch von technischen Systemen eingesetzt werden kann. Dabei ist es möglich, das Gebäude und das Sys-
tem in einer Simulationsrechnung zu koppeln, was jedoch mit einem hohen Arbeitsaufwand verbunden
ist. Deshalb ist eine gängige Methode das Gebäude separat zu simulieren, um Zeitreihen der Gebäudelast
zu erstellen. Diese Gebäudelastreihen können als externe Daten wiederum ins Systemmodell eingelesen
werden, um im nächsten Schritt eine Systemsimulation durchzuführen. Bei dieser entkoppelten Simula-
tion liegt der Nachteil darin, dass es keine Rückkopplung zwischen System und Gebäude gibt. Eine Analy-
se des Gebäudeverhaltens ist somit nicht möglich. Es muss außerdem gewährleistet werden, dass die Ge-
bäudelast stets durch das System gedeckt wird.
Die Programmbibliothek von TRNSYS verfügt über zahlreiche Komponentenmodelle (Types) von u.a.
hydraulischen und solarthermischen Systemen sowie von der Klimatechnik. Weitere Modelle werden
von anderen Nutzern entwickelt oder kommerziell in Zusatzbibliotheken angeboten, wodurch sich die
Standardbibliothek erweitern lässt. Die Modellierungstiefe der Types in TRNSYS ist unterschiedlich: ne-
ben physikalisch abgeleiteten Modellen kommen insbesondere auch bei klimatechnischen Maschinen-
modellen, häufig kennlinienbasierte Modelle zum Einsatz, in denen das Maschinenverhalten durch Inter-
polation zwischen Stützpunkten aus Datenblattangaben (oder Messwerten) berechnet wird. Diese Mo-
delle sind häufig auf Grund der Datenverfügbarkeit einfacher zu handhaben als physikalisch abgeleitete
Modelle. Sie haben aber den Nachteil, dass das dynamische Kurzzeitverhalten wegen fehlender kapaziti-
ver Effekte nicht abgebildet wird. Dennoch werden aus Aufwandsgründen auch solche Modelle in
EVASOLK eingesetzt.
Im Folgenden werden die wichtigsten Komponentenmodelle kurz beschrieben, die im Rahmen der Simu-
lationsrechnungen für den Bereich der Gebäudeklimatisierung zum Einsatz kamen.
1. Komponentenmodelle der solarthermischen Systeme
1.1. Sorptionskältemaschine
Für die Sorptionskältemaschinen wurde im Rahmen von EVASOLK ein allgemeines, generisches Modell
erstellt. Die Berechnungen innerhalb des Modells stützen sich auf Angaben von Produkt-Datenblättern.
Dafür wurden Daten des jeweiligen Maschinentyps von verschiedenen Herstellern herangezogen. Das
Sorptionskältemaschinen-Modell bleibt somit allgemein und ist Hersteller oder Produkt unabhängig. Es
wird zwischen folgenden Maschinentypen und -größen unterschieden, die im Modell als Betriebsmodi
hinterlegt sind:
1. Wasser/Lithiumbromid-Absorptionskältetechnik
2. Ammoniak/Wasser-Absorptionskältetechnik
3. Adsorptionskältetechnik
4. Optimierte Wasser/Lithiumbromid-Absorptionskältetechnik
5. nicht aktiv
6. Zweistufige Wasser/Lithiumbromid-Absorptionskältetechnik > 50 kW
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FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 145
Durch das Modell kann der Maschinenbetrieb bei stationären Bedingungen simuliert werden. Auf- und
Abwärmphasen oder thermische Trägheit werden nur durch Rohrleitungssegmente berücksichtigt.
Im Modell werden zwei unterschiedliche Ansätze verwendet. Für alle Maschinen mit Wasser/Lithium-
bromid-Absorptionskältetechnik (einstufig, einstufig optimiert und zweistufig) wird eine charakteristi-
sche Gleichung eingesetzt, die auf der totalen treibenden Temperaturdifferenz (dT_total) basiert. Die
notwendigen Daten sind in ausreichendem Maße vorhanden, sodass sich das Verhalten dieses Absorber-
typs mit guter Genauigkeit nach diesem Ansatz abbilden lässt.
Zum anderen wird für alle anderen Maschinentypen (und -größen) ein Ansatz verwendet, der das ther-
mische Wärmeverhältnis (EERTKM) und das Verhältnis von Kälteleistung zu Nennkälteleistung als Funkti-
on eines zusammenfassenden Temperaturwerts, der sogenannten reduzierten Temperatur (T_red), dar-
stellt. Diese Ansätze sind im Trnsys-Type 915 hinterlegt und werden je nach ausgewähltem Betriebsmo-
dus entsprechend eingesetzt.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
dT_total [K]
Q_NT/Q_NT_nom Q_HT/Q_NT_nom
Generische Kennlinien nach dem dT-total-Ansatz. Die roten Punkte stellen die Antriebsleistung relativ zur
Nennkälteleistung (Q_HT/Q_NT_nom) dar; die blauen die Kälteleistung relativ zur Nennkälteleistung
(Q_NT/Q_NT_nom). Beides ist aufgetragen über der treibenden totalen Temperaturdifferenz (dT_total). Die
Punkte repräsentieren Datenblattwerte verschiedener Hersteller von Absorptionsaggregaten < 50 kW.
1.2. Pufferspeicher
Für den Warmwasserspeicher wurde das detaillierte Speichermodell Type 340 gewählt, das viele Mög-
lichkeiten für die Konfiguration des Speichers bietet. Über die Parameter hat der Nutzer eine Vielzahl an
Einstellungsmöglichkeiten. Neben den üblichen Angaben zu Dimensionierung (Höhe, Volumen), Wärme-
verlustraten und Eigenschaften des Speicherfluids (spezifische Wärmekapazität, Dichte) können folgende
Optionen gewählt werden:
- 4 interne Wärmetauscher
- 10 ‚double ports‘, d.h. 20 direkte Anschlüsse an den Speicher in frei wählbarer Höhe (jeweils 10 Zu-
und Abgänge ohne internen Wärmetauscher)
- Schichtladung für jeden einzelnen ‚double port‘ wählbar
- Temperatursensoren an 5 frei wählbaren Stellen im Speicher
- Interner elektrischer Heizstab als Hilfswärmequelle
© Fraunhofer ISE
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 146
Der Speicher wird über Knoten (vollkommen durchmischte und gleich große Volumensegmente) darge-
stellt. Insgesamt ist eine Anzahl von 200 Knoten möglich, jedoch geht eine hohe Knotenzahl mit einer er-
höhten Simulationszeit einher.
1.3. Solarkollektoren
1.3.1. Stationäre Kollektoren
Die Modelle von nicht konzentrierenden, stationären Kollektoren stammen aus der Standardbibliothek
von Trnsys. Der Wirkungsgrad wird in diesen Modellen mittels eines linear-quadratischen Ansatzes und
eines winkelabhängigen Korrekturfaktors (Incidence Angle Modifier, IAM) berechnet. Für den Flachkol-
lektor wurde der Type 1c und für den Vakuumröhrenkollektor der Type 71 eingesetzt. Die beiden Kollek-
tortypen stellen allgemeine Modelle dar, dementsprechend wurden generische Modellparameter und
IAM-Werte eingesetzt.
Im Folgenden werden die eingesetzten Modellparameter aufgeführt, die näherungsweise mittlere Effizi-
enzkurven aus Datenblättern unterschiedlicher Kollektoranbieter darstellen:
a) Generischer Flachkollektor (FK_gen) guter Qualität für kleine Anlagen bis ca. 50 m² Kollektorfläche;
Antireflex-Beschichtung
b) Generischer Flachkollektor (FK_genXL) für große Anlagen mit verbesserter Isolierung und zusätzli-
cher Konvektionssperre; Antireflex-Beschichtung
c) Generischer Vakuumröhren-Kollektor (VRK_gen), bspw. Isolierröhre, U-Absorber
Koeffizienten FK_gen FK_genXL VRK_gen
c0 0.81 0.80 0.67 [ - ]
c1 3.30 2.30 0.80 [ Wm-2K-1 ]
c2 0.018 0.013 0.005 [ Wm-2K-2 ]
Die Abbildung unten zeigt Wirkungsgrade von Solarkollektoren: FK1 bis FK5 für fünf handelsübliche
Flachkollektoren und VRK6 bis VRK9 für vier Vakuumröhrenkollektoren. Die verstärkt dargestellten Li-
nien (FK_gen, FK_genXL, VRK_gen) repräsentieren die Effizienzkurven der generischen Kollektormodelle,
die in der Simulationsstudie eingesetzt wurden.
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
40 50 60 70 80 90 100
Wir
ku
ng
sgra
d [
-]
TFluid_mittel [ °C ]; TUmgebung = 25°C
FK 1
FK 2
FK 3
FK 4
FK 5
VRK 6
VRK 7
VRK 8
VRK 9
FK_gen
FK_genXL
VRK_gen
Berechnete Wirkungsgrade verschiedener Kollektoren aufgetragen über der mittleren Kollektorfluidtempe-
ratur bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C und einer Einstrahlung von 800 W/m² (senkrecht zur Kol-
lektorfläche, IAM daher = 1.0).
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 147
1.3.2. linear konzentrierender Solarkollektor
Zur Modellierung eines linear konzentrierenden Kollektors wurde Type 71 verwendet. Dieser ermöglicht
das Einlesen von IAM-Werten für Winkel in transversaler und longitudinaler Ebene. Die eingesetzten
Winkelkorrekturfaktoren stellen generische Werte dar und wurden aus Datenblatt-angaben und ISE-
interner Raytracing-Ergebnisse von insgesamt vier linear konzentrierenden Kollektoren gemittelt.
Im Folgenden werden die Parameter aufgeführt, die zur Berechnung des Wirkungsgrades erforderlich
sind. Diese stammen aus einem Produktdatenblatt eines kommerziell verfügbaren Fresnel-Kollektors.
Koeffizienten Linear konzentrierender
Kollektor
c0 0.63 [ - ]
c1 0.5 [ Wm-2K-1 ]
c2 0.00043 [ Wm-2K-2 ]
2. Komponentenmodelle der Referenzsysteme
2.1. Kompressionskältemaschine
Beim Kompressionskältemaschinenmodell wird je nach betrachteter Nennkälteleistung zwischen zwei
Kältemaschinentypen unterschieden: im Leistungsbereich < 50 kW Nennkälteleistung kommt ein Multi-
Split-Gerätemodell (Direktverdampfung des Kältemittels), im Bereich darüber ein Kaltwassersatzmodell
(Raumkühlung über Kaltwasserkreislauf) zum Einsatz. In beiden Fällen gibt das Modell den elektrischen
Stromaufwand für die Kältebereitstellung (inklusive Rückkühlung) aus.
Das Modell des Splitsystems basiert auf Teillastkurven, die anhand von Messdaten einer installierten An-
lage (VRF-System, innerhalb des Arbeitspakets 1 vermessen) abgeleitet wurden. Die Messdaten zeigen,
dass die Effizienz des Systems von der Außentemperatur sowie von der bereitgestellten Kälteleistung
abhängt (siehe Abbildung unten). Für drei Kälteleistungsbereiche wurde jeweils eine Teillastkurve be-
stimmt, zwischen denen das Modell je nach angeforderter Kälteleistung interpolieren kann. Der effektive
EER wird anhand des Produkts aus nominellem EER und Teillastfaktor berechnet. Für Wohngebäude
sowie für kleine Büros/Hotels wird in Anlehnung an die Vornorm DIN V 18599-7 (2007) ein Nenn-EER
von 2.9 angenommen, bei den größeren Büro- und Hotelgebäuden 3.0.
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10 15 20 25 30 35
EER
Außentemperatur [°C]
DIN V 18599-7
Q0 = 0..5 kW
Q0 = 5..10 kW
Q0 = 10..15 kW
Q0 = 15..40 kW
© Fraunhofer ISE
Mittlere Teillast-Effizienzkurven als Funktion der Außentemperatur eines VRF-Außengeräts mit 40 kW
Nennleistung. Berechnet aus Minuten-Mittelwerten des Monitoringprogramms Referenztechnik in
EVASOLK. Zusätzlich dargestellt: Kennlinie für frequenzgeregelte Multisplitgeräte gemäß DIN V 18599-7
(orangene Linie). Datenquelle: ILK Dresden.
Beim Modell des Kaltwassersatzes wird von einem luftgekühlten Aggregat ausgegangen, da bei diesen
Kältemaschinen über einen großen Leistungsbereich standardmäßig ein Luftkühler zur Rückkühlung
(trockene Rückkühlung) eingesetzt wird. In der DIN V 18599-7 (2007) wird ein Kennwertverfahren für
luftgekühlte Kaltwassersätze bis 1500 kW Nennkälteleistung eingesetzt. Zur Modellierung von Kaltwas-
sersätzen im Rahmen der Vergleichsstudien von EVASOLK werden Angaben aus der oben genannten
Norm herangezogen. Dabei werden für den Gerätetyp luftgekühlte Scroll- und Schraubenverdichter (Käl-
temittel R134a) Teillastfaktoren in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur vorgegeben. Mit diesen Wer-
ten aus der Norm wird eine Teillastfunktion gebildet, die wiederum mit dem nominellen EER (EERnom)
multipliziert wird. Für den oben genannten Gerätetyp wird bei einer Außenlufttemperatur von 32 °C und
einer Kaltwasser-Austrittstemperatur von 6 °C ein EERnom von 2.8 angenommen und entsprechend 3.5
bei einer Kaltwassertemperatur von 14 °C. Für andere Kaltwasserbereiche wird eine Korrektur mit Hilfe
einer linearen Funktion vorgenommen. Die Norm unterscheidet zwischen Teillastfaktoren je nach der Art
wie die Kältemaschinen geregelt werden. Dabei wird zwischen taktendem Maschinenbetrieb (ein/aus)
und Frequenzregelung unterschieden. Der Vergleich mit zwei Anlagen aus dem Anlagenmonitoring in AP
1 ergab, dass die Werte für taktenden Betrieb gut mit den gemessenen Werten übereinstimmen (s. Ab-
bildung unten).
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 149
0
1
2
3
4
5
6
7
8
-5 0 5 10 15 20 25
EER
(o
hn
e V
ert
eilp
um
pe
n)
Differenz aus Außen- und Kaltwasseraustrittstemperatur [K]
Messdaten Anlage 1
Messdaten Anlage 2
Modell (R134a-A-8°C)
Modell (R134a-A-15°C)
© Fraunhofer ISE
Vergleich des Modells bei zwei unterschiedlichen Kaltwassertemperaturen mit Messergebnissen von zwei
Kaltwassersätzen aus dem Anlagenmonitoring inEVASOLK. Datenquelle: ZAE Bayern.
Die oben beschriebenen Modellansätze wurden im Trnsys-Type 916 implementiert. In diesem Type kann
man über Parameter den Gerätetyp (Klimagerät, Kaltwassersatz) und die Art der Maschinenregelung
(taktend, frequenzgeregelt) auswählen.
2.2. Gaskessel
Mit dem Type 869 liegt ein detailliertes Modell für ein Heizkessel mit konventioneller Brennertechnik
vor, bei dem die Wärme, die durch die Verbrennung eines Brennstoffs frei wird, über ein Luft-Wasser-
Wärmetauscher auf ein Fluid übertragen wird. Dieser Type basiert auf physikalischen Gleichungen und
wurde am Institut für Solartechnik SPF, Hochschule für Technik Rapperswil, Schweiz, entwickelt. Er be-
rücksichtigt u.a. Bereitschaftsverluste, Teillastbetrieb und Betriebshäufigkeiten. Als vordefinierte Brenn-
stoffe stehen dem Nutzer neben Gas auch Heizöl und Biomasse zur Auswahl. Der Type 869 wurde für die
Vergleichsstudien in EVASOLK zur Modellierung eines Gaskessels mit Brennwerttechnik eingesetzt.
Dieser Type berechnet im ersten Schritt die Abgasprodukte sowie Temperatur und Massenstrom vom
Abgas, das nach der Verbrennung vom Brennstoff-Luft-Gemisch entsteht. In einem zweiten Schritt wird
die Wärmeübertragung vom Abgas auf das (Heizungsvorlauf-)Wasser in einem Luft-Wasser-Wärme-
tauscher ermittelt. Hierbei kann zwischen einfachen oder detaillierten Ansätzen gewählt werden. Die de-
taillierteren Ansätze dienen eher zur Modellierung eines bestimmten Heizkessels, wobei die notwendi-
gen teils sehr spezifischen Parameter nicht vollständig in Produktdatenblättern zu finden sind, sondern
teilweise erst durch eine Kesselvermessung bestimmt werden können. Da im Rahmen von EVASOLK kein
bestimmtes Gerät modelliert werden sollte, wurde der einfache Ansatz für die Simulationsrechnungen
gewählt. Bei allen Ansätzen kann optional der Brennwertmodus gewählt werden. Im letzten Schritt wird
die Energiebilanz für die thermische Masse des Kessels (Ein-Knoten-Modell) aufgestellt, worüber die
Wärmeverluste an die Umgebung und die Temperatur des Wassers, das aus dem Kessel austritt, be-
stimmt werden.
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Generelles Konzept des Kesselmodells, das im TRNSYS-Type 869 eingesetzt wird (Quelle: ‚Type 869 Boiler
Model for TRNSYS, Michael Haller‘)
Die Gleichungen, die zur Parametrisierung des Modells eingesetzt werden, haben Angaben aus Produkt-
datenblättern mehrerer Gasbrennwertgeräte mit unterschiedlicher Nennheizleistung (bis zu 50 kW) zur
Grundlage. Beispielsweise sind für die Parameter ‚Nennmassenstrom Heizungswasser‘ oder ‚Maximale
elektrische Leistungsaufnahme‘ Gleichungen hinterlegt, die abhängig von der festgelegten Nennwärme-
leistung des Kessels sind. Die Parameter, die sich auf die elektrische Leistungsaufnahme des Kessels be-
ziehen, beruhen sich auf Angaben von Gaskesseln mit Gebläse aber ohne eine Pumpe für das Heizungs-
wasser. Der Stromaufwand für die Heizungspumpe wird separat simuliert.
2.3. Wärmepumpe
Im Rahmen von EVASOLK wurde in Zusammenarbeit mit dem Karlsruhe Institut für Technologie (KIT)
ein Modell für elektrisch betriebene Wärmepumpen erstellt, das Angaben zu Leistungszahlen (Coefficient
of Performance, COP) und Korrekturfaktoren aus der DIN 18599-5 (Stand: 2011-12) zur Grundlage hat.
Anhand eines Parameters kann eine von drei Wärmepumpen-Arten ausgewählt werden: a) Luft-Wasser,
b) Sole-Wasser und c) Wasser-Wasser. In EVASOLK wurden Luft-Wasser-Wärmepumpen als Heizsystem
und zur Brauchwarmwasserbereitung betrachtet. Entsprechend wurde das Modell für diese Art der
Wärmepumpe weiterentwickelt und auf den Stand von 2011-12 der o.g. Norm gebracht. (Für die anderen
beiden Wärmepumpen-Arten sind Angaben aus der Vornorm 18599-5, Stand: 2007-02 hinterlegt.) Da die
Angaben aus der Norm in Form von Parametern in den Type eingefügt werden, können mögliche Ände-
rungen der Werte, bspw. durch Novellierung der Norm, leicht durch manuelle Eingabe im Type angepasst
werden. Da die resultierenden Jahresarbeitszahlen beträchtliche Unterschiede zu den Ergebnissen des
Projekts WP-Effizienz [Miara, 2011] aufwiesen, wurden die Norm-COPs nachträglich durch eine Parame-
teroptimisierung so angepasst, dass die Simulationsergebnisse besser mit den Messergebnissen überein-
stimmten.
Die COP-Werte werden in der Norm in Abhängigkeit der entsprechenden Wärmequellentemperatur (z.B.
Außenlufttemperatur) und der Vorlauftemperatur (lastseitig) aufgeführt. Diese Werte dienen im Modell
als Stützpunkte für die Bestimmung des COP, zwischen denen linear interpoliert wird. Für die Fälle, bei
denen die Quellentemperatur außerhalb dieser Stützpunkte liegt, ist es möglich, Werte mit Hilfe von Ext-
rapolation zu bestimmen. Anhand von Parametern kann der Nutzer den Verlauf der Extrapolationskurve
selbst festlegen, d.h. entweder einen linearen oder einen logarithmischen Verlauf. Weiterhin kann an-
hand eines Parameters festgelegt werden, ob die logarithmische Kurve einem flachen oder steileren Ver-
lauf folgt.
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Zusätzlich erlaubt das Modell Korrekturen der COP-Werte mit Hilfe der Angaben aus der Norm vorzu-
nehmen. Je nach Teillastbetrieb der Wärmepumpe und betrachtetem Heizungssystem (Konvektoren und
Flächenheizung) kommen unterschiedliche Korrekturfaktoren zum Tragen. Um die Korrekturfaktoren zu
nutzen, ist entsprechend die Angabe der Maximal- bzw. der Nennleistung der Wärmepumpe erforderlich.
Mit dem Modell kann unter anderem die elektrische Stromaufnahme der Wärmepumpe basierend auf
dem COP und der bereitgestellten Wärme berechnet werden.
2.4. Photovoltaik
Zur Bestimmung des Wirkungsgrades von PV-Modulen, die im Punkt maximaler Leistung (MPP) betrie-
ben werden, wird in EVASOLK ein Modell von W. Heydenreich14 eingesetzt. Das Modell benötigt nach Be-
rechnung der Modellparameter für einen gewählten Modultyp in der Anwendung die aktuelle Einstrah-
lung auf die Modulebene und die Modultemperatur.
Im Rechenmodell wird zunächst der Modulwirkungsgrad für die Modultemperatur von 25 °C bestimmt.
Für Modultemperaturen die davon abweichen wird in einem weiteren Schritt der Wirkungsgrad propor-
tional zur Temperaturdifferenz (TModul – 25 °C) berechnet. Die Modultemperatur wird näherungsweise
über eine Funktion in Abhängigkeit von Umgebungstemperatur und Einstrahlungsleistung auf Modul-
ebene ohne Berücksichtigung der lokalen Windverhältnisse bestimmt. In die Berechnung der PV-
Generatorleistung fließt der Modul-Nennwirkungsgrad mit ein. Dafür wird ein repräsentativer Wert von
14 % Nennwirkungsgrad für Module mit polykristallinen Siliziumzellen eingesetzt. Zusätzlich werden
Gesamtverluste in Höhe von 2 % der berechneten Generatorleistung als Folge der Verschaltung, des
MPP-Trackings und der Leitungswiderstände angenommen.
Weiterhin ist im Modell eine Funktion zur Bestimmung der Wirkungsgradkennlinie hinterlegt. Die Funk-
tion ist abhängig vom Prozentwert der aktuellen PV-Leistung bezogen auf die Gleichstrom-Nennleistung
des Wechselrichters. Für das beschriebene Modell wurde im Rahmen von EVASOLK das Trnsys-Type 917
erstellt.
14 W. Heydenreich et al.: Describing the world with three parameters: A new approach to PV module power modelling. Tagungsbeitrag zur 23rd European PVSEC, Valencia, Spain, 2008
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0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 200 400 600 800 1000
eta
/ et
a no
min
al
Einstrahlung in Modulebene [ W/m² ]
25°C
35°C
50°C
© Fraunhofer ISE
Normierter Wirkungsgradverlauf eines PV-Moduls für drei Modultemperaturen
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Anhang A5.7 – Energiepreise, Wandlungsfaktoren
Energiepreise (einschl. Mehrwertsteuer)
Standort
Strom Haushalte
(Anwendung A)
[ € / kWh ]
Strom Gewerbe
(Anwendung B, C)
[ € / kWh ]
Gas Haushalte
(Anwendung A)
[ € / kWh ]
Gas Gewerbe
(Anwendung B, C)
[ € / kWh ]
Deutschland 0.253 0.149 0.059 0.055
Frankreich 0.138 0.102 0.058 0.044
Spanien 0.195 0.132 0.054 0.034
Italien 0.201 0.183 0.069 0.037
Griechenland 0.125 0.124 0.080 0.074
Türkei 0.122 0.093 0.030 0.026
Algerien 0.048 0.048 0.060 0.055
Wandlungsfaktoren
Standort PE-Faktor Strom
[ kWhPE / kWhel ]
PE-Faktor Gas *
[ kWhPE / kWhth ]
CO2-Faktor Strom
[ kgCO2 / kWhel ]
CO2-Faktor Gas *
[ kgCO2 / kWhth ]
Deutschland 2.62 1.1 0.616 0.243
Frankreich 2.96 1.1 0.093 0.243
Spanien 2.42 1.1 0.360 0.243
Italien 2.19 1.1 0.454 0.243
Griechenland 2.57 1.1 0.785 0.243
Türkei 2.53 1.1 0.590 0.243
Algerien 2.52 1.1 0.727 0.243
* kWhth: thermische Nutzenergie vom Gaskessel / Wirkungsgrad
Quellen Energiepreise:
BMWI-Energiedaten 2012; Eurostat 2010; Eurostat 2011
Quellen Wandlungsfaktoren:
Überwiegend Probas, Zeitbezug 2010; sonstige
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Anhang A5.8 – Solarthermische Kühlung in Kältenetzen
Die Gebäudeklimatisierung und gewerbliche Kühlung erfolgt in einigen Städten über Fernkältenetze, die
installierte Kälteleistungen zwischen 1 MW und > 200 MW aufweisen15. Allein in Paris und Stockholm
beträgt die installierte Kälteleistung jeweils > 200 MW; dies ist mehr als bis 2004 in ganz Deutschland an
Fernkältenetzleisung installiert war16. Mit wenigen Ausnahmen (Italien, Spanien) liegt der Schwerpunkt
der Fernkälteanwendungen in mittel- und nordeuropäischen Regionen. Vorteile dieses technischen An-
satzes sind der zentrale Aufbau von Kälteerzeugern im großen Leistungsbereich und damit verbundene
positive Skaleneffekte in den Bereitstellungskosten der Kälte. Durch mehrere Kälteerzeuger im Netz
kann auch ein optimierter Betrieb bei Teilauslastung erfolgen. Außerdem lassen sich im großen Leis-
tungsmaßstab effiziente Techniken - sowohl auf der Kompressorseite (z.B. Turboverdichter) als auch in
der Rückkühlung – eher wirtschaftlich aufbauen.
In einigen der Kältenetze sind neben elektrisch betriebener Kompressionskältetechnik auch Absorpti-
onskältemaschinen im Leistungsbereich meistens > 1 MW (1-stufig und 2-stufig) installiert, deren An-
triebswärme über Wärmenetze erfolgt. Dabei wird neben Überschusswärme aus Heiznetzen auch Ab-
wärme aus z.B. Müllverbrennung genutzt. In weiteren Konzepten wird auch der Aufbau großer Kaltwas-
serspeicher zur Pufferung von Lastspitzen untersucht17.
Die Erweiterung einer kältetechnischen Zentrale im Kältenetz mit solarthermisch angetriebener Kälte-
technik ist technisch machbar, um z.B. Kälteleistungsspitzen tagsüber aufzufangen. Allerdings lässt sich
aus den Ergebnissen der Vergleichsstudie Solare Kühlung in Gebäuden leicht erkennen, dass eine aus-
schließliche Substitution von Elektroenergie (reiner Kältenetzbetrieb) mittels einstufiger, solarthermisch
betriebener Kältetechnik wirtschaftlich ebenso problematisch sein wird wie in der Gebäudeanwendung
B, B+; dies wird sich auch trotz positiver Skaleneffekte (die auch in der Referenz auftreten) nicht grund-
legend verändern. Diese Anwendung ist schematisch im Beispiel I gezeigt. Hier sind Entlastungen des
Stromnetzes mit Aussicht auf Wirtschaftlichkeit eher durch photovoltaische Lösungen interessant. Eine
Ausnahme kann in sonnenreichen Regionen der Einsatz mehrstufiger Absorptionstechnik mit konzent-
rierender Kollektortechnik darstellen; hier sind Lösungen in der Nähe des wirtschaftlichen Bereichs
denkbar. Allerdings bilden diese Regionen bisher nicht den Schwerpunkt der Anwendungen von Fernkäl-
tenetzen.
Eine andere Systemvariante stellt der zusätzliche Aufbau eines Kollektorfeldes in einem Fernkältenetz
dar, in dem bereits eine thermisch angetriebene Kältetechnik existiert, die z.B. durch BHKW-Abwärme
betrieben wird. Hier sind unterschiedliche Anwendungen möglich: Nutzung der Kraft-Wärmekopplung
für den ausschließlichen Betrieb einer Absorptionskälteanlage (Beispiel II) und Kopplung der Wärmeer-
zeuger mit thermisch angetriebener Kältetechnik und mit einem Wärmenetz (Beispiel III).
15 Eine exemplarischen Überblick über 13 Kältenetze in Europa gibt z.B. die Präsentation Fernkälte in Europa
von Wien Energie; http://www.gaswaerme.at/de/pdf/10-1/wallisch.pdf, Juni 2013
16 Im BINE-Informationspaket Kühlen und Klimatisieren mit Wärme (ISBN 978-3-934595-81-1, 1. Auflage
2009, FIZ Karlsruhe) ist der Stand der Fernkälte in Europa, 2004, dokumentiert. Im Vergleich zur Quelle oben (Fernkälte in Europa) ist der starke Ausbau der Fernkälte innerhalb weniger 10 Jahre zu erkennen
17 BINE-Projektinfo 12/08: Kältespeicher optimiert Fernkältesystem. Bericht zum Fernkältesystem der Stadt-
werke Chemnitz. BINE Informationsdienst, FIZ Karlsruhe. 2008
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Für den Betrieb von Anlagen mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) ohne solarthermische Untertüt-
zung exisitieren enge Randbedingungen für die Wirtschaftlichkeit, die sich aus der Effizienz der Wärme-
/Kälteerzeuger und aus den Lastanforderungen im Wärme- und Kältenetz ergeben. Im kleinen bis mittle-
ren Leistungsbereich wurden KWKK-Konzepte und -Systemtechniken beispielsweise im Rahmen des Po-
lySMART-Projektes untersucht18.
KKM KKM TKM
PKälte PKKMPTKM
t
Kältenetz
Stromnetz
Fraunhofer ISE
Beispiel I: Schematische Darstellung einer solarthermisch unterstützten Kältenetzversorgung ohne weiteren Wärmeverbund. Diese Systemvariante wird nach den Ergebnissen der Vergleichsstudie (solare Kühlung in Gebäuden) im Allgemeinen die Wirtschaftlichkeit der Kälteerzeugung nicht erhöhen.
KKM KKM TKM
BHKW
Kältenetz
Stromnetz
Fraunhofer ISE
Beispiel II: Schematische Darstellung einer solarthermisch unterstützten Kältenetzversorgung zusammen mit Kraft-Wärme-Kopplung, aber ohne weiteren Wärmeverbund. Auch für diese Kombination sind vermut-lich nur unter speziellen Randbedingungen wirtschaftliche Vorteile gegeben.
Vorausgesetzt, dass in Beispiel II eine wirtschaftlich günstige Betriebsvariante gefunden wurde, ist der
zusätzliche Aufbau eines Kollektorfeldes nur dann sinnvoll, wenn etwa durch hohe tägliche Lastspitzen
im Netz eine zu deren Deckung erforderliche Erweiterung des BHKW oder weiterer KKM durch zu gerin-
ge Vollaststunden die Wirtschaftlichkeit wieder herabsetzt. Sind diese Ranbedingungen der kurzzeitigen
Versorgungsengpässe nicht gegeben, verschlechtert gegebenenfalls der Aufbau eines Kollektors wieder
die Wirtschaftlichkeit, da die Betriebsstundenzahl des BHKW herabgesetzt wird oder die solare Wärme
nicht ausreichend eingesetzt wird. In jedem Fall sind dazu fallspezifische Untersuchungen notwendig.
Interessanter sind solarthermische Anwendungen im Verbund mit Wärme- und Kältenetzen (Bei-
spiel III). Das Kollektorfeld kann optimal ausgenutzt werden durch Wärmelieferung je nach Bedarf in
18 PolySMART – Polygeneration with advanced small and medium scale thermally driven air-conditioning and
refrigeration technology. Projekt gefördert im 6. Rahmenprogramm der EU, 2006-2010. http://www.polysmart.org
Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien
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beide Netze. Dies entspricht etwa den Anwendungen C, C+ in der Vergleichsstudie. Eine weitere Effizienz-
steigerung kann auch durch eine Kaskadenschaltung von TKM und KKM erreicht werden, wenn die Tem-
peraturspreizung im Kaltwassernetz ausreichend hoch ist: die Absorptionskältetechnik bewirkt eine
Vorkühlung der Kaltwassertemperatur und stellt Kaltwasser nicht zwangsläufig auf der Solltemperatur
bereit; dadurch kann deren Betrieb effizienter erfolgen.
Wegen der sehr spezifischen Randbedingungen der solarthermischen Kühlung in Kältenetzen wurden
diese Anwendungen nicht im Rahmen der Simulationsstudie in EVASOLK rechnerisch analysiert.
KKM KKM
TKM
BHKWWeitere
Wärmeerzeuger
Kältenetz
Wärmenetz
Stromnetz
Fraunhofer ISE
Beispiel III: Schematische Darstellung einer solarthermisch unterstützten Kältenetzversorgung im Verbund mit einem Wärmenetz und weiteren Wärmeerzeugern. In dieser Anwendung sind eine optimale Ausnutzung des Kollektorfeldes erreichbar und Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen Betrieb eher gegeben als in den anderen Anwendungen. Die hier gezeigte serielle Verschaltung zwischen thermisch betriebener Kühlung und den konventionellen Aggregaten kann zu einer Effizienzsteigerung der solaren Kühlung führen, da dieTKM nicht die Solltemperatur im Kaltwasserkreis erreichen muss. Die nachgeschaltete KKM muss aller-dings sorgfältig angepasst sein, um einen nachteiligen Teillastbetrieb zu vermeiden.