2010-03: Plus-Energiegebäude
Solarthermie
Abbildung 1: Zwei chillii® Cooling Kits PSC10 mit einer Kälteleistung von 20 kW sind in einer Bankfiliale in Miesbach, Deutschland, installiert (99.8 m² Flachkollektoren, 7.500 l Warmwasserspeicher, 1.000 l Kaltwasserspeicher, Rückkühlung: Nasskühlturm) (Fotos: SolarNext)
Seit Herbst 2006 läuft der Task 38 des Solar Heating and Cooling Programms der Internationalen Energieagentur (IEA-SHC). Darin arbeiten etwa 70 Experten aus Industrie und Wissenschaft daran, die Marktfähigkeit von Anlagen zur solarthermischen Kälteerzeugung voranzubringen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf kleinen standardisierten Anlagen, die so vorkonfiguriert sind, dass sie von einem Installateur ohne aufwändige Planung installiert werden können.
Kälteerzeugung mit Sonnenwärme
Von Dagmar Jähnig, Alexander Thür, Tomas Núñez, Edo Wiemken, Daniel Mugnier und Martin Helm *
Im Task 38 geht es um Technologien zur Erzeugung von Kaltwasser oder klimatisierter Luft unter Nutzung von Solarwärme. Heutzutage hat die solar unterstützte Kühlung die besten Chancen für den Markteinstieg bei Anwendungen in großen Gebäuden mit zentralen Klimatisierungssystemen. Es wird aber auch ein wachsender Markt für Kühlung im kleineren Wohnbereich und kleinen kommerziellen Bereich gesehen. Hier sind insbesondere neue Lösungen notwendig, bei denen der Solarkollektor ganzjährig zur Wärmeversorgung beiträgt; für die Heizung im Winter, für die Kühlung im Sommer und für die Warmwassererzeugung während des ganzen Jahres. Vorgefertigte Systeme (pre-engineered systems) sind für diesen Anwendungsbereich besonders geeignet, da dadurch der Planungsaufwand möglichst gering gehalten werden kann.
Subtask A
Das Ziel von Subtask A im Rahmen des Task 38 besteht in der Unterstützung der Entwicklung kleiner vorgefertigter Systeme (pre-engineered systems), die sich durch folgende Punkte auszeichnen:
- Kühlleistung < 20 kW.
- Hoher Vorfertigungsgrad des Gesamtsystems
- Kein zusätzlicher Planungsaufwand notwendig
Vorgefertigte Systeme bestehen im Allgemeinen aus folgenden Hauptkomponenten:
Solarkollektor, Speicher, Nachheizung, Kältemaschine, Rückkühleinheit, vorgefertigten Hydraulikstationen inkl. Pumpen und Ventilen und Regelung. Diese Systeme können vom Installateur direkt an die raumseitigen Verteilsysteme angeschlossen werden.
Komponenten
Im ersten Teil des Subtask A wurde eine Übersicht der marktverfügbaren Komponenten sowie der aktuell laufende Entwicklungen im Bereich von Kombisystemen für Heizungs- und Kühlungsanwendungen im entsprechenden Leistungsbereich erstellt. Dies umfasst thermische Kältemaschinen kleiner Leistung sowie solare Kombianlagen ohne Kühlung, die als Grundlage für die Integration von thermischen Kühlsystemen zu einem Gesamtsystem dienen können. Außerdem wird ein Überblick über Technologien von Rückkühlsystemen und Kältespeichern gegeben.
Systemschemata
Basierend auf den bereits marktverfügbaren kleinen Systemen für solares Heizen und Kühlen wurden allgemeingültige standardisierte Schemata erarbeitet. Damit kann das Hydraulikschema einer komplexen Anlage zum solaren Heizen und Kühlen übersichtlich dargestellt werden. So wird es einfacher, Systemkonzepte verschiedener Anbieter zu vergleichen. Diese allgemein verwendbaren Schemata bestehen aus einzelnen Modulen, die mit unterschiedlichen Komponenten besetzt oder auch gar nicht im System vorkommen können.
In Abbildung 2 ist beispielhaft ein solches Hydraulikschema dargestellt.
Abbildung 2: Vereinfachtes Hydraulikschema eines solaren Kühlsystems
Monitoring
Den Hauptteil von Subtask A bildet das Monitoring sowohl von Versuchsanlagen als auch von kommerziell installierten solaren Heiz- und Kühlsystemen. Alle diese Systeme sind aber durchgehend in Betrieb und werden mindestens für ein ganzes Jahr vermessen. Innerhalb des Task 38 wurde dazu ein Monitoringverfahren erarbeitet, bei dem definiert wird, welche Größen (Wärme- bzw. Kältemengen und Stromverbräuche) mindestens gemessen werden müssen, um bestimmte Kenngrößen für das System (aufgeteilt auf drei unterschiedlich detaillierte Ebenen) ermitteln zu können. Die gemessenen Daten werden als Monatswerte in ein Excel-Blatt eingetragen, in dem dann automatisch die Kennwerte berechnet werden.
In der ersten Ebene werden nur die erzeugte Wärme und Kälte sowie die benötigte Nachheizenergie und der Gesamtstromverbrauch des Systems gemessen. Damit lässt sich der COPel (elektrische Leistungszahl – Coefficient of Performance) bestimmen, der aussagt, wie viel elektrische Energie pro kWh erzeugter Wärme und/oder Kälte eingesetzt werden musste. In der zweiten Ebene kommen dann noch genauere Messungen der Effizienz der Solaranlage, der Wärmespeicherung und des Gesamtsystems hinzu. In der dritten Ebene werden dann noch detailliertere COP- Werte für die thermische Leistungsfähigkeit der Kältemaschine und auch elektrische COP-Werte nur für bestimmte Teile des Systems bestimmt. Das Tool kann auch für die Analyse von sorptionsgestützter Klimatisierung (DEC – Desiccant Evaporative Cooling) eingesetzt werden. Dafür ist dann noch eine weitere Excel-Datei notwendig, in die zeitlich höher aufgelöst die Temperaturen und Feuchten im Lüftungssystem eingetragen werden.
Bei den kleinen Anlagen (bis 20 kW Kälteleistung) umfasst das Monitoring 13 Systeme. Etwa die Hälfte der Anlagen ist in Bürogebäuden installiert, die andere Hälfte in unterschiedlichen Bereichen wie Altersheim, Laborgebäude, Sporthalle, Schule, Kantine und Röntgenpraxis.
Messergebnisse
Bei vier dieser Anlagen gibt es inzwischen ausreichende Monitoringdaten. Bei zwei Anlagen wird eine Absorptionskältemaschine eingesetzt (Garching und Butzbach) bei den anderen beiden eine Adsorptionskältemaschine (Freiburg und Perpignan). Der thermische COP ist das Verhältnis von erzeugter Kälte zu dazu eingesetzter Wärme. Wie die Abbildung 4 zeigt, sind die Messergebnisse hier sehr unterschiedlich. Bei einer Anlage liegt der Wert nahe den Nennwerten der Maschine (Garching), bei anderen liegt er deutlich darunter. Insgesamt liegen die Adsorptionskältemaschinen, wie auch theoretisch zu erwarten, etwas unter den Absorptionskältemaschinen. Der thermische COP der Kältemaschine hängt aber nicht nur von der Maschine selbst ab, sondern viel mehr davon, wie sie betrieben wird: Häufiges Takten, Temperaturniveaus im System etc. Interessanter als der thermische COP ist allerdings der elektrische COP. Wenn man sich das nur für die Kältemaschine an sich anschaut, ergeben sich die Werte, die ebenfalls in Abbildung 4 dargestellt sind. Diese Werte wurden nur für zwei der vier Anlagen gemessen. Hier zeigt sich, dass die Adsorptionskältemaschine in Freiburg deutlich besser abschneidet als die Absorptionskältemaschine in Butzbach. Der Grund dafür ist einerseits, dass die Adsorptionskältemaschine keine Lösungspumpe benötigt. Es ist allerdings zu beachten, dass bei der Absorptionskältemaschine in Butzbach die Generatorpumpe gleich integriert und diese Messung daher deren Stromverbrauch auch beinhaltet.
Abbildung 3: Elektrischer COP der Gesamtsysteme
Abbildung 4: Thermischer COP der vier vermessenen Anlagen und elektrischer COP der Kältemaschine selbst (ohne System) von zwei Anlagen
Aussagekräftiger ist es jedoch, den elektrischen COP für das Gesamtsystem zu betrachten. Hier werden nicht nur der Stromverbrauch der Kältemaschine selbst sondern die Stromverbräuche aller Komponenten des Systems wie Pumpen und Ventilatoren betrachtet. Dabei kommt es einerseits auf die Auswahl der Komponenten an, andererseits aber auch auf deren Regelung (Stichwort: Drehzahlregelung im Teillastbetrieb). Nicht betrachtet werden hier die Stromverbräuche für die Verteilung der Wärme und Kälte im Gebäude, da sie ja auch bei einem konventionellen System benötigt werden. Abbildung 3 zeigt, dass Werte von 7 für den elektrischen COP des Gesamtsystems durchaus erreichbar sind. Alle vier untersuchten Anlagen liegen über 4, d.h. deutlich über einer typischen Jahresarbeitszahl von konventioneller Kältetechnik, die typischerweise bei etwa 2,5 bis 3 liegt (2,8 wurde im Task 38 als Referenzwert angenommen).
Ziel weiterer Entwicklungsarbeiten sollte es sein, den elektrischen COP solcher Systeme noch weiter zu erhöhen. Dies kann vor allem durch Optimieren der System- und Regelungskonzepte sowie durch verbesserte Komponenten erreicht werden.
Weitere Schwerpunkte des Task 38 liegen auf kundenspezifisch angefertigten, zumeist größeren Anlagen sowie Neuentwicklungen bei Kältemaschinen und anderen Komponenten. Außerdem wird das im Vorgängertask (Task 25) herausgegebene Handbuch für Planer komplett neu überarbeitet. Geplanter Erscheinungstermin ist Frühjahr 2011.
Die Ergebnisse des Task 38 werden in einem Workshop, der am 3.2.2011 im Hotel Europa in Graz stattfinden wird, der Öffentlichkeit präsentiert. Die bisher öffentlich verfügbaren Berichte des Task. 38 können unter http://iea-shc-task38.org/reports/public-reports heruntergeladen werden.
*) Dipl.-Ing. Dagmar Jähnig und Dr. DI Alexander Thür sind Mitarbeiter der AEE INTEC im Bereich „Solarthermische Komponenten und Systeme“,
Dr. Tomas Núñez ist Leiter des Teams 'Sorptionstechnologie - Systeme und Anwendungen' und
Dipl.-Phys. Edo Wiemken ist Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe "Thermisch aktive Materialien und solare Kühlung" am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg,
Dr. Ing. Daniel Mugnier ist Leiter der Entwicklungsabteilung bei TECSOL SA (Frankreich),
Dipl.-Ing. (FH) Martin Helm ist Mitarbeiter in der Abteilung „Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien“ am Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) in Garching bei München. [^]