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Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen
Moritz Kuhn, Mathias Safarik, Lutz Richter
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 2
Übersicht
Vorstellung Institut
Einleitung
Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung
Absorptionskälteanlage
Wirkungsweise
Marktangebot
Klein AKA Wegracal SE 15
Einkopplung der Solarwärme
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 3
ILK – Zahlen
Gegründet 1964
1980 Eingliederung ins Kombinat ILKA Luft- und Kältetechnik, Ausbau auf 500 Mitarbeiter
Wiedergründung 20.12.1990 aus der ILKA Luft- und Kältetechnik GmbH
Ab 1.10.1992 privatisiert mit dem Verein zur Förderung der Luft- und Kältetechnik e.V. als Gesellschafter
121 Festangestellte Mitarbeiter, 20 Professoren bzw. promovierte Mitarbeiter, 48 Dipl.- Ing. Universität/Hochschule, 22 Dipl.- Ing. Fachhoch-/Ingenieurfachschule, 31 Facharbeiter.
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 4
ILK – Auftragsstruktur
7 Mio. € Umsatz; 1/2 FFA und 1/2 Öffentliche Hand
AG im FFA-Bereich weltweit
Öffentliche Hand:
GEWIPLAN
PROINNO
SMWA
BMWI / Projektträger Jülich
BMBF / VDI / DESY
EU
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 5
Institutsstruktur
Kälte- und Tieftemperaturtechnik
Klima- und Energietechnik
Angewandte Neue Technologien
Klimatechnik
Meerwasserent-salzung
Luftreinhaltung
Kryotechnik
Kältetechnik
Größtes industrienahes Forschungsinstitut der Branche
unabhängig und neutral
fachübergreifende Zusammenarbeit
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 7
Hintergrund – Solare Kühlung
Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit von Menschen hängen von sauberer frischer Luft, mit der richtigen Temperatur und Feuchte ab.
Allein kleine Klimaanlagen unter 12 kW verbrauchten 1996 11.000 GWh an Primärenergie
Laut EU-Studien wird sich dieser Wert bis 2020 vervierfachen
Im Sommer extreme Spitzenlasten
Vorwiegend Kompressionskältemaschinen mit hohem Elektroenergiebedarf
Alternative: Nutzung von Solar- oder Abwärme durch thermische Kälteerzeugung
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 8
Umweltverträglichkeit einiger Kältemittel
ODP: Ozon Depletion Potential = Ozonzabbaupotential
GWP: Globel Warming Potantial = Treibhauspotential, direkt
TEWI: Totel Equivalent Warming Impact: Summe aus dem direkten und indirekten GWP
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 9
Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung
ThermischeSysteme
Wärme-trans-
formation
Thermo-mechanische
Prozesse
Thermo-kinetischeProzesse
OffeneSysteme
GeschlosseneSysteme
Feststoff-sorbentien
FlüssigeSorptions-
mittel
Feststoff-sorbentien
FlüssigeSorptions-
mittel
Adsorption Trocken-absorption
Rankinecycle/
Kompressor
Dampfstrahl-KM
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 10
Schema eines Trocknung- und Verdunstungskühlungsprozesses (DEC)
Produktunterlagen der Fa. Klingenburg, Gladbeck
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 11
Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung – DEC
Bewertung von DEC-Systemen
Vorteile
Trennung von Kühlung und Entfeuchtung möglich
niedrige Regenerationstemperaturen preiswerte Kollektoren (auch Luftkollektoren) einsetzbar
Nachteile
Größe der Anlagen
Strombedarf für Ventilatoren
Kühlung nur über Luftwechsel realisierbar (Kaltluftzufuhr)
nicht funktionsfähig bei hohen Außenluftfeuchten
nur für Klimakälte geeignet
© Produktunterlagen der Fa. Robatherm, Burgau
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 12
Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung – Adsorption
Schema einer Adsorptionskältemaschine
Quelle: www.gbunet.de
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 13
Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung – Adsorption
Bewertung von Adsorptionskältemaschinen
Vorteile
vergleichsweise niedrige Antriebstemperaturen
Erzeugung von Kaltwasser
Nachteile
Preis, Bauvolumen und Gewicht der Anlagen
Leistungsstufen: kleinste, bisher verfügbare Anlage 50 kW
erhöhter regelungstechnischer Aufwand
Adsorptionskältemaschine NAK 70Fa. Nishiyodo, Japan
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 14
Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung – Absorption Prinzip und Schema einer Absorptionskältemaschine
Absorptionskälteprozess
im log p - -1/T - Diagramm
Kompressionskälteprozess
im log p - -1/T - Diagramm
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 15
Vergleich der Arbeitsstoffpaare NH3/H2O und H2O/LiBr in Absorptionskälteanlagen
NH3/H2O H2O/LiBr Druck hohe Arbeitsdrücke im Überdruckgebiet Arbeitsbereich im Vakuumgebiet
bei 4 °C bei 34 °C
Sättigungsdruck 497,3 kPa 1312,2 kPa
0,81 kPa 5,32 kPa
Wärmeverhältnis bedingt durch notwendige Dephlegmation ca. 25 % schlechter als bei H2O/LiBr
einstufig ca. 0,6
höheres Wärmeverhältnis, da keine Dephlegmation und Rektifikation notwendig ist
einstufig ca. 0,75 Kälteerzeugung auch unter 0 °C möglich nur Klimakältebereich über 0 °C
Korrosion keine Cu-Werkstoffe höhere Korrosionsgefahr
Heizmedientemperatur bei hohen Heizmedien-temperaturen erhöhter Aufwand für Dephlegmation/Rektifikation
geringfügig geringere Heizmedientemperaturen erforderlich
bei hohen Heizmedien-temperaturen Kristallisationsgefahr
bei höheren Heizmedien-temperaturen „Double Effekt“-Schaltung möglich mit Wärmeverhältnis ca. 1,0
apparativer Aufwand Einsatz von Plattenwärmeübertragern bzw. kompakten Apparaten für die Wärme- und Stoffübertragung möglich.
erhöhter Aufwand für Dephleg-mation/Rektifikation des Kältemittels
Problem der Wasserrückführung aus dem Verdampfer Problem geeigneter Lösungsmittelpumpen für kleine
Anlagen
Einsatz kompakter Apparate durch geringe maximal mögliche Druckverluste und hohe Dampfvolumenströme bei Wasser erschwert
einfacherer Apparateaufbau infolge Wegfall Dephlegmation und Rektifikation möglich
infolge der Gestaltungs-möglichkeit mit Behälter-bauweise und keines Gefährdungspotenzials der Anlage kostengünstigerer Aufbau möglich
besondere Eigenschaften
giftig, brennbar erhöhte Anforderungen an die Sicherheit
entsprechend VBG 20 erforderlich
ungiftiges Arbeitsstoffpaar höhere Verdampfungsenthalpie des Kältemittels
Schlussfolgerung Einsatz im Normal- und Tiefkältebereich unter 0°C Einsatz im Klimakältebereich über 0°C
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 16
Abhängigkeit der Heizmedienaustrittstemperatur von der Kälteträgeraustrittstemperatur für SE- Absorptionskreisprozesse mit Ammoniak / Wasser
60
70
80
90
100
110
120
-15 -10 -5 0 5 10tKT,a [°C]
t HW
,a [°
C]
0,475
0,5
0,525
0,55
0,575
0,6
0,625
real
[ - ]
tHW,a
Ammoniak/Wasser
RB: tc=tAB=34°C; tHW,a=tG; tKT,a=to+3K; rL,max=16; ABS=0,5; =0,9; tLWÜ=5K
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 17
Abhängigkeit der Heizmedienaustrittstemperatur von der Kälteträgeraustrittstemperatur für SE- Absorptionskreisprozesse mit Wasser/LiBr
60
65
70
75
80
85
90
95
100
2 4 6 8 10 12 14 16tKT,a [°C]
t HW
,a [°
C]
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
rea
l [ -
]
m rL,max=16 m rL,max=30
tHW
Wasser/Lithiumbromid
RB: tc=tAB=34°C; tHW,a=tG+2K; tKT,a=to+3K; ABS=0,5; =0,9; tLWÜ=5K
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 18
Aufbau klassischer H2O/LiBr - Absorptionskältemaschinen
Fa. York
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 19
Marktangebot
Hersteller Heizwasser-ausführung
Kälteleistung [kW]H2O/LiBr NH3/H2O
Carrier X 150...8.800Axima X 200...6.000Broad X 174...11.630Broad 17,5...106Weir-Entropie X 100...1.000York X 200...4.800Trane X 350...7.000Cogenie x 35...281Phönix x 10EAW X 15...200Robur 17...88ILK/Partner X 20...500Colibri X 100...3.000Mattes/Siemens (?) X 80...3.000
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 20
Schema einer Single-Effect-Absorptionskältemaschine, Fa. EAW
KühlwasserEin
LIC Kaltwasser
Verdampfer
Absorber
LIC
Heizwasser
Kondensator
Generator
Lösungswärme-übertrager
LIC
LICKühlwasser
Aus
Lösungspumpe
Lösungspumpe
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 21
Spiralrohrwärmeübertrager
Besonderer Wärmeübertrager in kompakter Bauweise
Verbesserung des Wärmeübergangs
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 22
Entwicklungen des ILK – Produktspektrum SE-Absorptionskältemaschinen der Fa. EAW
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 23
H2O/LiBr-Absorptionskältemaschinen – Anwendungen und Referenzen
Typ Q0
[SE, ME] [kW]
Commerzbank Bielefeld SE 83 Sep 01 Gebäudeklimat.
Eugster/Frismag AG Amriswil Schweiz ME 50 Apr 01 Gebäudeklimat.
Kreiskrankenhaus Wolgast ME 200 Aug 01 Gebäudeklimat.
Autobahnraststätte Würzburg Süd SE 83 Nov 02 Gebäudeklimat. BHKWLandw. Unternehmen N. Wirsching, Rieth (Thüringen) SE 54 Aug 02 Stallklimatisierung Biogas BHKW
Telekom Immobilien München SE 140 Mai 03 Gebäudeklimat.
Berufstechnisches Zentrum Rohr ME 100 Sommer 03 Gebäudeklimat. BHKW
Nationalparkhaus Sächsische Schweiz, Bad SchandauSE 54 Mai 03 Gebäudeklimat. Solar und GasheizkesselBioInnovationszentrum DD SE 150 Dez 03 Gebäudeklimat. BHKW
Sondershausen-Sparkasse SE 50 Aug 03 Gebäudeklimat. BHKW
Pahren SE 50 Dez 03 Milchvorkühlung Biogas BHKW
Rhön-Klinikum Bad Berka ME 170 Nov 03 Klimatisierung ME-mit 0,8 HT-Anteil; MTU HotModule-Ankopplg.
Inbetrieb-nahme
Wärmequelle, BesonderheitenAnwendungOrt, Nutzer
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 25
Klein-Absorptionskältemaschine WEGRACAL SE 15
Wasser/Lithiumbromid – Absorptionskältemaschine mit einer Nenn-Kälteleistung von 15 kW
Kaltwassererzeugung
Wärmequellen: Solarwärme; BHKW-Abwärme; Fernwärme
Nutzung einer speziellen, bereits in größeren Anlagen bewährten Wärmeübertragergestaltung
Erster Prototyp seit 2003 in Betrieb
Auslegungsbedingungen : Heizwasser: 90 / 80 °CKühlwasser: 32 / 38 °CKaltwasser: 17 / 11 °C
→ Betrieb über weiten Bereich externer Temperaturen möglich
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 26
Wissenschaftlich begleitete Anlagen
Moosburg, Bayern- Flachkollektoren 42 m²- offener Verdunstungskühler- Warm- (1.5 m3) und Kaltwasserspeicher (0,8 m3)- Gebläsekonvektoren- Ersatzwärmequelle: Holzpelletkessel -> CO2-neutral!
Hamburg- Wärmequelle BHKW- offener Verdunstungskühler- Warm- und Kaltwasserspeicher- Heizung und Kühlung eines Verkaufsraumes über Fußbodentemperierung
Dresden, Sachsen- Vakuumröhrenkollektoren 45 m² - Trockenrückkühler - keine Wärme-/Kältespeicherung im Kühlbetrieb- Gebläsekonvektor zur Kühlung einer Versuchshalle
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 27
Rückkühlkonzepte für Absorptionskältemaschinen
Verdunstungskühlung+ Kühlgrenze: Feuchtkugeltemperatur
Bsp: 29,9°C; 31 % RH → 17,9 °C
+ geringer Energiebedarf für Ventilatoren
– Wasserbedarf
– Wartungsaufwand
Trockenrückkühler– Kühlgrenze: Lufttemperatur
Bsp: 29,9°C
– höherer Energiebedarf für
Ventilatoren
+ kaum Wartungsaufwand
+ kein Wasserbedarf
Quelle: Dierks
Quelle: Dierks
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 28
Solare Wärmeerzeugung für Absorptionskälte
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 29
Kälteleistung und externe Bedingungen
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 30
Einflussgrößen Kühllast – Ausrichtung und Sonnenschutz
Raumtemperatur in Abhängigkeit der Fassadenorientierung und des Sonnenschutzes
ohneinnenaußen
Berechnungsmonat Juli,Glasanteil Fassade 50 %,Sonnenschutz bei direkterStrahlung gezogen
Sonnenschutz:
20
30
40
50
60
Süden
Raumlufttemperatur in °C
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 31
Einflussgrößen Kühllast – Sonnenschutz
Wärmeschutz im Winter = Wärmeschutz im Sommer ???
k-Wert aller Fensterim Gebäude
JahresheizwärmebedarfQH‘‘ nach WSVO
maximale Gebäude-temperatur Sommer
[W/m2K] [kWh/m2a] [°C]
1.8 73.71 38.7
1.3 67.30 39.7
1.3 Südfensterbeschattet durchHorizontalblende
67.30 35.2
1.3 wie oben, zusätzlichJalousien an denübrigen Fenstern
67.30 30.3
=
=
=
=
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 32
Einflussgrößen Kühllast – Gebäudenutzung
Kühllastverlauf eines Hotels und eines Bürogebäudes in Palermo
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 33
Solare Kühlung – Vergleich Kühllast und Solarertrag
Kühllast eines Bürogebäudes in Freiburg und Einstrahlung (4.Juli; Wochentag)
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 34
Solare Kühlung – Vergleich Kühllast und Solarertrag
Kühllast eines Bürogebäudes in Freiburg und Einstrahlung (4.Juli; Wochentag)
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 35
Solare Kühlung – Simulation
Simulationsprogramme ermöglichen Abstimmung der einzelnen Komponenten komplexer Systeme
SolAC TRNSYS
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 36
Strahlungsangebot – Standort und jahreszeitliche Verteilung
Verteilung der solaren Wärmeerträge an den Standorten Potsdam (S, 45°) und Murcia (S, 30°)
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez0
1
2
3
4
5
6
7
4,44,5
8,1
9,7
11,212,0
10,710,2
9,08,7
6,3
5,1
0,41,1
5,9
10,6
15,416,6
15,615,1
10,8
5,7
2,00,8
Wär
mem
enge
[MW
h]
Wärmeertrag Potsdam (=24,7 MWh) Wärmeertrag Murcia (=57,3 MWh)
größte Tagessumme Einstrahlung
Potsdam (Süd, 30°): 8,59 kWh/m2
Murcia (Süd, 20°): 8,52 kWh/m2
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 37
Solares Heizen und Kühlen(solar combi-system plus)
Anlagenprinzipund Vorteile • Ganzjährige Nutzung der Kollektorfläche zum Heizen und Kühlen
• Hohe Versorgungssicherheit durch die Verwendung eines Backup-Systems
• Verwendung der gleichen Systeme zum Heizen und Kühlen
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 38
Kühllast – Solarertrag, Fazit
Komplexer Zusammenhang zwischen Kühllast und Solarertrag
Beträchtliche Reduzierung der Kühllast durch richtige Beschattung, dadurch auch ein Einsparpotential bei Kompressionskälteanlagen
Berechnung der Heiz- und Kühllast für konkretes Projekt erforderlich
sorgfältige Auslegung spart Investkosten, sichert Anlagenwirkungsgrad
ganzjährige Nutzung der Solarerträge steigert Wirtschaftlichkeit
Simulationsprogramme erleichtern bzw. ermöglichen Dimensionierung komplexer Systeme
Anlagen etablieren sich zunehmend erfolgreich am Markt
Wirtschaftlichkeit solarthermischer Kälteanlagen ist noch nicht gegeben
weitere Verbreitung auch von energiepolitischen Rahmenbedingungen sowie der Entwicklung anderer Technologien abhängig
Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH
Ende der Präsentation
Dipl. – Ing. Moritz KuhnKälte- und Tieftemperaturtechnik ________________________________________Tel.: +49 351 / 4081-686Fax: +49 351 / 4081-635E-Mail: [email protected]: www.ilkdresden.de
____________________________________
Institut für Luft- und KältetechnikGemeinnützige Gesellschaft mbHBertolt-Brecht-Allee 2001309 Dresden
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 40
Primärenergetische Betrachtung
© Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 41
Bsp. Zustandspunkte
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 42
Anlage 1 – Citrin Solar
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 43
Anlage 1 – Citrin Solar
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 44
Aufbau der solarthermischen Klimakälteanlage am ILK
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 45
Aufbau der solarthermischen Klimakälteanlage am ILK
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 46
Solare Kühlung – Simulation von Kollektorvarianten
Typischer Tagesverlauf ausgewählter Größen (klarer Sonnentag im Juli am Standort Huelva (E), 55 m2 - Vakuumröhrenkollektoren, Meerwasserkühlung)
Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn 47
Solare Kühlung – Simulation von Kollektorvarianten
Typischer Tagesverlauf ausgewählter Größen (klarer Sonnentag im Juli am Standort Huelva (E), 55 m2 - Parabolrinnenkollektoren, Verdunstungskühler)