Zeitschrift EE

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2008-02: Sommerkomfort im Büro- und Verwaltungsbau

Solare Kühlmaschinen

Abbildung 1: Silikagel

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

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

Von Walter Mittelbach*

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

Die Wirkungsweise der Adsorptionskältemaschine

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

Abbildung 2: Funktionsprinzip + Legende

Desorption

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

Adsorption

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

Rückführung des Kondensats

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

Konstruktionsweise

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

Beschichtung der Adsorberwärmeübertrager mit Silikagel:

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

Kompakte, selbsttragende Konstruktion:

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

Die erste Generation von Demoanlagen

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

Resultate

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

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

Effizienzsteigerung und Komplexitätsreduzierung

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

Fazit

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

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

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