Solare Klimatisierung

Transcrição

PtJ-Workshop Solare Klimatisierung
3. Mai 2007, 10:00 16:30 Uhr
Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik an der Universität Stuttgart
Pfaffenwaldring 10, 70569 Stuttgart, Hörsaal 10.01
(Anfahrt unter www.itw.uni-stuttgart.de)
Tagesordnung
Uhrzeit
Thema
Referent
09.30-10.00
Eintreffen der Teilnehmer / Kaffeeempfang
10:00-10:10
Begrüßung
10:10-10:20
kurze Vorstellungsrunde
10:20-10:35
Hintergrund und Ziele des Workshops
Herr Stricker, PtJ ERG
Herr Petrovic PtJ EEN
10:35-10:55
Solare Kühlung und Klimatisierung: Stand der
Technik, internationale Zusammenarbeit und
F&E-Bedarf
Dr. Martin Henning,
Fraunhofer ISE, Freiburg
10:55-11:15
Sorptionsgestützte Klimatisierung: Stand der
Technik; aktuelle Marktsituation und Marktaussichten
Herr Mertz,
FGK Stuttgart
11:15-11:30
Kältemaschinen kleiner Leistung DiffusionsAbsorptionstechnik und Flüssigsorption
Prof. Eicker,
FH Stuttgart
11:30-11:45
Kaffeepause
11:45-12:00
Entwicklung einer solar angetriebenen Absorptions- Prof. Müller-Steinhagen /
kälteanlage/Wärmepumpe mit einem Eis-Speicher Thomas Brendel, ITW
12:00-12:15
Solare Klimatisierung im Rahmen des Solarthermie Herr Wiemken,
2000plus Förderprogramms
Fraunhofer ISE, Freiburg
12:15-12:30
Stand und Perspektive der solaren Klimatisierung
aus der Sicht des ILK Dresden
Herr Mai,
ILK Dresden
12:30-12:45
Solar unterstützte Klimatisierung des Technologiezentrums Berkheim der Fa. Festo
Herr Huber,
Hochschule Offenburg
12:45-13:45
Mittagspause
13:45-14:00
Solares Heizen und Kühlen mit Wasser/LiBrAbsorptionskälteanlage und Latentwärmespeicher
Herr Dr. Schweigler
ZAE Bayern
14:00-14:15
Erfahrungen und Projektideen der TU Berlin
Prof. Ziegler, Institut für
Energietechnik, TU Berlin
14:15-14:30
Zusammenfassende Erfahrungen aus laufenden
Demonstrationsvorhaben und daraus ableitbarer
F&E-Bedarf
Herr Albers,
IEMB, TU Berlin
14:30-14:45
Zwischenresummée
14:45-16:00
Diskussion zum zukünftigen F&E-Bedarf
16:00-16:15
Fazit
16:20
Ende der Veranstaltung, Abreise
Prof. Müller-Steinhagen,
ITW Stuttgart
Energieoptimiertes
g p
Bauen (EnOB)
(
)
BMWi-Förderschwerpunkt im 5. Energieforschungsprogramm der
Bundesregierung „Innovation und neue Energietechnologien“
Workshop Solare Klimatisierung
03 Mai 2007
03.
2007, ITW Stuttgart
BMWi-Förderschwerpunkt: Energieoptimiertes Bauen
2 PTJ-ERG1 Stricker
03 Mai 2007
03.
2007, ITW Stuttgart
3 PTJ-ERG1 Stricker
03 Mai 2007
03.
2007, ITW Stuttgart
Forschungsfelder
Drei F
FuE-Felder
E Felder sind von
on besonderem Interesse
Interesse:
• Bautechnik
• Technische
T h i h G
Gebäudeausrüstung
bä d
ü t
• Planung / Betrieb
Energieerzeugung
Energieverbrauch
Schaltzustände
Beleuchtung Mittelzone:
kWh
5133 kWh
kWh
25 kWh
kWh
Ein
5133 kWh
Beleuchtung Treppenhaus: Aus
Ventilator 1. OG:
4 PTJ-ERG1 Stricker
Ein
03 Mai 2007
03.
2007, ITW Stuttgart
Forschungsverbund-Module
g
Demo-Neubauten
Demo-Sanierungen
EnBop
Energetische
E
i h
Betriebsoptimierung
Niedrig-Exergie
Vakuumisolation
5 PTJ-ERG1 Stricker
03 Mai 2007
03.
2007, ITW Stuttgart
Forschungsbudget des Bundes 2006 - 2009
2006
2009
BMWi
Rationelle Energieumwandlung
(in 1.000 €)
(in 1.000 €)
Nukleare Sicherheitsforschung
22.245
30.980
Summe:
99.239
136.974
BMU
E
Erneuerbare
b
E
Energien
i
83 366
83.366
98 366
98.366
Rationelle Energieumwandlung
g
g
42.012
44.270
Erneuerbare Energien
28.307
30.271
Nukleare Sicherheitsforschung
31.133
31.022
115.000
114.900
12.000
228.452
15.500
235.963
10.000
10.000
421.057
481.303
76 994
76.994
105 994 38%
105.994
BMBF (EFP)
Zentren der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF)
Fusionsforschung
Netzwerke Grundlagenforschung erneuerbare
Energien und rationelle Energieanwendung
Summe:
BMELV
g
Bioenergie
Summe Energieforschungsprogramm
6 PTJ-ERG1 Stricker
14%
03 Mai 2007
03.
2007, ITW Stuttgart
Hintergrund
• Workshop Solare Klimatisierung 2/3.Juli 2001 in Jülich
(Jürgen Gehrmann)
• Demovorhaben initiiert mit Förderung von BMWi und BMU
• Erfahrungsaustausch zwischen den Projekten vereinbart
• Zwischenfazit
7 PTJ-ERG1 Stricker
03 Mai 2007
03.
2007, ITW Stuttgart
Ziele
• Neue Erkenntnisse durch die Demonstrationsvorhaben
- Wirtschaftlichkeit, Markteinführung
• Austausch von Betriebserfahrungen
• Erfahrungen bei der Messdatenerfassung und Auswertung
• Problemfelder:
- was ist systemspezifisch, was ist allgemeingültig?
• Praxistauglichkeit der entwickelten Planungswerkzeuge
g
• Resultierender Forschungsbedarf
8 PTJ-ERG1 Stricker
PtJ-Workshop
p „Solare
„
Klimatisierung“
g
Stuttgart, 3. Mai 2007
Tobias Petrovic
Forschungszentrum Jülich GmbH
Projektträger Jülich - EEN
[email protected]
Projektträger Jülich
Projektförderung im Bereich Erneuerbarer Energien
durch das BMU
2006:
006 80,3 Mio.
o €
Solarthermie
Strom
7%
Andere
8%
Solarthermie
S
l th
i
Wärme/Kälte
6%
Photovoltaik
47%
Geothermie
18%
2001 bis 2005:
Jahresdurchschnitt 60 Mio. €
Tobias Petrovic - 3.5.2007
Windenergie
12%
Niedertemperatur-Solarthermie
• Solarunterstützte Klimatisierung von Gebäuden und
deren Kombination mit Heizungssystemen
• Entwicklung von Speichersystemen
• Einbindung von Solaranlagen in bestehende bzw. zu
errichtende Wärmenetze
• Solare Prozesswärme
• Große Demonstrationsvorhaben
Förderprogramme Solarthermie / Solarthermie2000plus
Fördermittel (Mittelabfluss)
in Mio. Euro
Anträge ST 2000plus
6
Solarthermie 2000plus
4,92
5
4
4,53
3,51
3,53
1,70
0 61
0,61
0,38
3
2,61
2
3,51
3,15
3,22
1
1,31
0
1994-2003
Ø/Jahr
2004
2005
2006
Solarthermie 2000
Solarthermie2000plus
Ziele
• Entwicklung und Erprobung der Systemtechnik großer Solaranlagen zur
Effizienzsteigerung und Verbesserung der Wirtschaftlichkeit
• Entwicklung von Entscheidungshilfen für Investitionen
• Abbau von Markteintrittsbarrieren
Fördergegenstand
• Pilot- und Demonstrationsanlagen (u. a. solarunterstützte Klimatisierung)
• Begleitforschung
g
g ((Komponentenp
und Systementwicklung;
y
g; Projekt-Monitoring)
j
g)
Laufzeit
• 2004 - 2008 ((Messprogramm
p g
bis 2011))
Solarthermie2000plus
Laufende Vorhaben im Bereich „Solare Klimatisierung“
• Fraunhofer ISE
• Pilotanlage solare Klimatisierung mit kompakter 10 kW-LiBr-Ab-KM und PCMSpeicher; Instituts- und Laborgebäude ZAE Bayern,
Bayern Garching
• Bewertung und Optimierung Gesamtsystem solare Klimatisierung
Berufsschule Rodewisch
• Pilotanlage solarautarke Klimatisierung Bürogebäude iba AG, Fürth
30 kW-Ab-KM und 100 m² dachintegrierte Hochleistungs-FK
• Solare
S l
Kli
Klimatisierung
ti i
T
Technologiezentrum
h l i
t
d
der F
Fa. F
Festo
t AG
AG: 1
1.200
200 m2 VRK
5 Energieforschungsprogramm für F&E
5.
Mittel vorbehaltlich des
jährlichen Haushaltsgesetzes
2005
2006
2007
2008
196,3 Mio. €
197,9 Mio. €
202,9 Mio. €
207,9 Mio. €
Plandaten für
Erneuerbare Energien
2007
88,366 Mio. €
2008
93,366 Mio. €
Budgetverteilung Solarthermie2000/ 2000plus (ab 2004)
100%
90%
21,1
28,5
36,4
80%
70%
54,3
60%
39,6
50%
70,9
40%
30%
30,2
24 4
24,4
5,9
9
26
24,3
2005
2006
20%
10%
21,3
,
3,9
4,1
0%
19942003
Solarthermie 2000
2004
Solarthermie 2000plus
FuE
Begleitforschung/ Meßprogr.
Demoanlagen
Pilotanlagen
Solare Kühlung und Klimatisierung: Stand der Technik,
internationale Zusammenarb
beit und F&E-Bedarf
Hans-Martin Henning
H
Fraunhofer-Insstitut für Solare Energiesysteme ISE
Freiburg
3 Mai
3.
M i 2007
Stuttgart
Seite 1
Übersicht
Stand de
er Technik
Internatiionale Zusammenarbeit
F&E-Beda
arf
Seite 2
Energiebedarf für Klimatisierrung in Deutschland
Rund 30 % des Gesamtkältebedars für Klimatisierung
Endenergie für Klimatisierung rund 4 %
Primärenergie für Klimatisierung rund 2 %
Davon rund ein Drittel
für mobile Anwendung
Tendenz steigend
Kälte
ebedarf für Klimatisierung,
Klimatisierung Deutschland 1999
Seite 3
Grundprinzip
Kaltwasser
Wä
Wärme
thermisch
angetriebener
Kühlprozess
klimatisierte
Luft
Geschlossene Kältemaschinen: Ka
altwasser
Offene Sorptionsverfahren: Kond
ditionierung Frischluft (Temperatur,
Feuchte)
Seite 4
heat storage
heat distr.
cold produc
ction
cold storage
Thermisch
angetriebene
Kältemaschine
cold distr.
building, load
chilled
ceiling
chilled
d water
so
olar collecto
or field
heat
hot w
water
air handling
h
unit
g
heating
Offene
ff
Sorptionsverfahre
n
cond. airr
other heat sources
fan
coils
il
Seite 5
Kaltwassererzeuger
Absorption
¾ Etliche Produkte für Antrieb mit
Heißwasser (oder Dampf) im
Leistungsbereich > 100 kW
¾ wenige
g Produkte < 100 kW
¾ Antriebs-Temperaturen 75-100°C
C
(1-stufig) bzw. 130-160°C (2-stufig)
Adsorption
y
(japa
j panische
¾ zwei kommerzielle Systeme
Hersteller) zum Antrieb mit Heiß
ßwasser;
Antriebstemperatur 65-95°C
Seite 6
Entwicklung kleiner thermiscch angetriebener Kältemaschinen in Deutschland
Fa. EAW (mit ILK Dresden): Wasse
er-LiBr, ab 15 kW
Fa. Sonnenklima
kli
((mit
i TU Berlin,
li ZAE
Z
Bayern):
) Wasser-LiBr,
i
ca. 8 k
kW
Fa. Sortech (mit Fraunhofer ISE): Silikagel-Wasser (bzw. ZeolithWasser),
Wasser)
ca. 8 kW
Fa.
Fa Abakus (mit Universität Halle--Wittenberg): Absorption
Absorption, ca
ca. 5 kW
Fh Stuttgart, Uni Stuttgart, Fh Ge
elsenkirchen, Fh Ilmenau:
Ammoniak Wasser
Ammoniak-Wasser
Fraunhofer Umsicht: Dampfstrahlkälte
Seite 7
( h
(ohne
Anspruch
A
h auff Vollständigkeit)
V ll tä di k
it)
EAW
SK SonnenKlima GmbH
Seite 8
Entwicklung kleiner thermiscch angetriebener Kältemaschinen international
Fa. Pink, Österreich (mit Joanneum Research): Ammoniak-Wasser, ca.
10 kW
Fa. rotartica, Spanien (mit Ikerlan
n): Wasser-LiBr: 4.5 kW
Fa
Fa. AoSol
AoSol, Portugal (mit INETI
INETI, Un
ni Lissabon): Ammoniak-Wasser
Ammoniak-Wasser, ca
ca.
8 kW
Fa. robur, Italien: Adaption direktt befeuerte Ammoniak-WasserAmmoniak Wasser
AbsWP auf Antrieb mit Thermoöll bzw. Heisswasser, 17.5 kW
Etlcihe weitere F+E-Arbeiten an Universitäten
U
und
Forschungsinstituten weltweit
ut Marktpräsenz in Europa
Fa. Yazaki, Japan: verstärkt erneu
Seite 9
(ohne Anspruch auf Vollständigkeit)
Offene, sorptionsgestützte Anlagen
A
Anlagen mit Sorptionsrotor
¾ Sorptionsrotoren von etlichen Herstellern
¾ Antriebstemperaturen 60…95
60 95°C
C
¾ Typisch > 3000 m3/h
¾ Schaltungsvarianten für unterschied
dliche
Klimazonen
Anlagen mit flüssigem Sorptionsmitttel
¾ Erste
E t Pilotanlagen
Pil t l
¾ Antriebstemperaturen 55…95°C
¾ Gekühlter Sorptionsprozess
¾ Speicherung der Sole
Seite 10
Aktuelle Entwicklungen
Deutschland
¾ Flüssigsorptionssystem
–
–
–
–
FFa. Menerga:
M
erste
t Pilotanlagen
Pil t l
n in
i Betrieb
B ti b
ZAE Bayern: Anlage in Singapurr (Spin-Off)
Fh Stuttgart
Uni Kassel
¾ Feststoffsorptoin
– ECOS (Fa. Klingenburg, Lüftung
gsgerätehersteller, Fraunhofer ISE)
International
¾ Etliche Projekte an Unis, F+E-Insttituten und Firmen, insbesondere im
Bereich Flüssigsorption (Kanada,, USA, Japan, China, Australien)
Seite 11
ECOS
ECOS - indirect
Evaporative COoling
counter-flow
cou
te o heat
eat
exchanger with
Sorption
Hohe
h Entfeuchtungsf
h
leistung auch bei
hoher Feuchte der
Außenluft
Laufendes Entwicklungsvorhaben mit
BMWi-Förderung
Aussenluft
2
3
Abluft
1
Adsorption
4
7
Fortluft
5
8
Zuluft
6
Desorption
aktiv
9
10
Seite 12
Systemanbieter
Insbesondere Firmen aus dem So
olarbereich steigen aktiv in das
Thema solare Klimatisierung ein
¾ Conergy (insbesondere große An
nlagen mit unterschiedlichen Verfahren)
¾ Schüco (mit EAW)
¾ Solarnext
Solarne t (mit Pink)
¾ Solid/Österreich (Anlagen mit un
nterschiedlichen Herstellern,
insbesondere Yazaki)
¾ Solution/Österreich
Seite 13
Stand installierte Anlagen in Europa
8.7%
Rund 120 Anlagen
(geschätzt)
Germany
Greece
Ca. 20 MWKälte
Mittelwert
Kollektorgröße
ca. 3
27.5%
39.1%
Spain
Portugal
Italy
Austria
France
Netherlands
m2/kWKälte
Israel
Turkey
bzw. 10 m2 pro
1000 m3/h
Serbia (Kosovo)
4.3%
4.3%
1 4%
1.4%
1.4%
5.8%
1.4%
Werte 2004
2.9%
2.9%
Seite 14
Stand de
er Technik
F&E-Beda
arf
Seite 15
IEA SHC Task 38 „Solar Air-Co
onditioning and
Refrigeration“
Internationale Zusammenarbeit unter
u
dem Dach des „Solar Heating
& Cooling Programme
Programme“ der Intern
nationalen Energie
Energie-Agentur
Agentur (IEA)
Laufzeit: September 2006 – August 2009
Beteiligte Länder
Austria
Canada
France
Italy
Portugal
Schweiz
Au
ustralia
De
enmark
Ge
ermany
Me
exico
Sp
panien
Seite 16
Task 38
Solar Air-Conditioning
and Refrigeration
Struktur Task 38
Subtask A
Subtask B
Pre-engineered systems for
residential and small
commercial applications
Custom-made systems for
large non-residential buildings
and industrial applications
Subttask C
Modeling and fun
f ndamental analysis
Subttask D
Market tran
nsfer activities
Seite 17
Task 38
and Refrigeration
Inhalte
S
Subtask
bt k A:
A Pre-engineered
P
i
d system
t ms for
f residential
id ti l and
d small
ll
commercial applications
¾ Komplettsysteme im kleinen Leisttungsbereich (2 kW .... 20 kW)
¾ Entwicklung von Solarthermiesysstemen für Heizen, Kühlen und
Brauchwasser
¾ Systemanbieter, Installateure
Subtask B: Custom-made
Custom made systems
s for large non-residential
non residential buildings
and industrial applications
wendungen im Bereich großer
¾ Konzepte und Verfahren für Anw
Leistungen (Nicht-Wohngebäude
e, Industrie)
¾ Zielgruppe: Planer, Ingenieure
Seite 18
Task 38
and Refrigeration
Inhalte (2)
Subtask C: Modeling and fundam
mental analysis
¾ Entwicklung von Rechnen-Modelllen für neue Komponenten und
Systeme
¾ Technisch-physikalische Evaluieru
ung von neuen thermodynamischen
Verfahren und Konzepten
p
(Exerg
(
gie,, Life Cycle
g
y
Analysis)
y )
Subtask D: Market transfer activities
¾ Sicherstellung des Transfers der Ergebnisse
E
an die wichtigen
Zielgruppen: Hersteller, Planer, In
nstallateure
¾ 2te vollständig
g überarbeitete Aussgabe
g
“Handbook”, Workshops,
p
Newsletter usw.
Seite 19
Task 38
and Refrigeration
Treffen
Oktober 2006, Bozen/Italien
¾ 1. Workshop
¾ 1. Expert Meeting
April 2007, Aix-les-Bains/Frankreich
¾ 2. Workshop
Oktober 2007, Barcelona/Spanien
n
¾ 3.
3 Workshop
Seite 20
Relevanz
z
Stand de
er Technik
F&E-Beda
arf
Seite 21
Perspektiven
Kleiner Leistungsbereich
en und Brauchwasser
¾ Solarthermie zum Heizen, Kühle
¾ Besonders gute Chancen im Mitttelmeerraum (Heiz- und Kühlbedarf)
¾ Wettbewerb solar langfristig: PV
V + Kompression
Mittlerer und großer Leistungsbe
ereich
¾ Solarthermische Kälte/Klimatisierung zur Reduktion von Peak-Lasten
¾ Bivalente Systemlösungen solarthermisch / konventionell elektrisch oder
solarthermisch / Biomasse
¾ Zwei-stufige Anlagen mit hoher Gesamteffizienz für Regionen mit
hoher Direktstrahlung
Seite 22
F&E-Bedarf – Grundlagen, Materialien
Adsorptiionstechnik
¾ Mate
erialien (z.B. MOF, anorganische
krista
alline mikroporöse Materialien AlPO,
AlPO
SAPO
O usw.) Î BMBF
¾ Verbu
undsysteme
y
Sorbens-Substrat
¾ Komp
pakte Strukturen (z.B. Metallschwamm)
Generell
¾ Mate
erialverträglichkeiten, Alterung,
Gebrauchsdauer
¾ Up-Sccaling
Seite 23
F+E-Bedarf - Solarkollektoren
n
Hohe solare Deckungsbeiträge erfordern
eine deutlich stärkere bauliche Integration
¾ Dachintegration
¾ Fassa
adenintegration
¾ Gebrauchsdauer (Gebäude: > 30 a)
Kollektoren für hohe Temperaturen
¾ ohne
e/mit Nachführung
¾ Stillst
Still tandssicherheit
t d i h h it (Wärmeträgerfluid)
(Wä
tä
fl id)
Große Ko
ollektorfelder
¾ Hydra
aulisches Design
Seite 24
F&E-Bedarf - Komponenten
Thermisch
h angetriebene Kältetechnik
¾ Komp
pakte Geräte im kleinen Leistungsbereich
¾ COPKäälte-Werte
W t ≥ 0.9
0 9 fü
für einstufige
i t fi V
Verfahren
f h
(WRG
G!, übergreifende Temperaturen)
¾ „Reve
ersible heat pumps“ (Kühlen, Heizen)
Thermisch
h angetriebene offene Verfahren
¾ Erschlließung kleiner Leistungsbereich
Aussenluft
Abluft
Sorptionsmaterial
Fortluft
Zuluft
optional
¾ Verfahren ohne direkte Verdunstungskühlung,
ndest in Zuluft
zumin
¾ R
Reduk
d ktion
k i Strombedarf
S
b d f (hydraulische
(h d
li h
Optim
mierung)
Seite 25
F&E-Bedarf – Komponenten (2)
(
Rückkühlung
mierung Strombedarf für Rückkühlung
¾ Minim
¾ Trock
kene Rückkühlung, insbesondere für
kleine Leistung
¾ S
Syste
stemlösungen
mlös ngen mit Erdreich als WärmeWärme
quelle/-senke
Raumseittige Komponenten
¾ Abga
abesysteme mit möglichst hohen
Temp
peraturen bzw. niedrigen
p
g
T-Diffferenzen Î LowEx
Seite 26
F&E-Bedarf - Systeme
heat storage
heat distr.
cold production
cold storage
cold distr.
building, load
chilled water
solar collector field
heat
chilled
ceiling
hot water
air handling unit
cond. air
other heat sources
fan
coils
heating
Kleiner Leistungsbereich
L
¾ Stand
dardisierte Systempakete
¾ Betrie
ebsführung, Regelung
¾ Qualiititässicherung Î Breiten-Monitoring
mit Evaluierung
al ier ng
Großer Leistungsbereich
L
¾ Stand
dardisierte Systemlösungen
¾ Betrie
ebsführung, Regelung
¾ Qualiititässicherung Î Solarthermie2000plus
Seite 27
Danke…
Ä … dem BMU für die Förderung des Vorhabens
V
„Solarthermie2000plus :
Wissenschaftliche Programmbegleitu
ung und Begleitforschung
‚Solarthermische Gebäude-Klimatisierung‘“
g (FKZ 0329605A)
Ä … dem BMWi für die Förderung
Förder ng des Vorhabens „IEA
IEA SHC Task 38 (Operating
Agent) – Energieeffiziente Kühlung und
u
Entfeuchtung (ECOS)“ (FKZ
0327406A)
Ä … Ihnen für Ihre Aufmerksamkeitt!
Seite 28
RAC u
unit sales (in Mio. u
units)
Weltmarkt für Raumklimageräte
50
Japan
40
Asia (excl.
Japan)
Middle East
30
Europe
North America
20
Central & South
America
10
Africa
Oceania
0
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Seite 29
Kumulative Zunahme an insttalliertem Leistungsbedarf
Annahmen:
1.2 kWel pro
Gerät
10 % Ersatz
pro Jahr
total insta
alled electrric capacity
y in GW
300
Japan
Asia (excl.
Japan)
250
Middle East
200
Europe
150
North America
100
Central & South
America
50
Africa
Oceania
0
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Seite 30
Die solar unterstützte Klimatisierung im Markt
Erfahrungen aus internationalen Messen
Potenziale für die Energieeinsparung in
Deutschland
Solare Klimatisierung und EPDB - EnEV
Dipl.- Ing. Claus Händel
Technischer Referent
Fachinstitut Gebäude-Klima
Gebäude Klima e.V.
eV
Danziger Str. 20
74321 Bietigheim-Bissingen
Tel.: 07142 54498
Email: [email protected]
Fachinstitut
Gebäude-Klima e.V
© Claus Händel, FGK 1
Internationales Marktinteresse – Beispiel Abu Dhabi
Große Neugier von Planern und Investoren
Hohes Vertrauen in deutsche Technik und deutsches Engineering
Wirtschaftlichkeit ist immer ein Thema
Standardisierte Komplettlösungen werden gefordert
Fachinstitut
Gebäude-Klima e.V
Standardisierte Lösung – Beispiel Wohnhaus Abu Dhabi
Wohngebäude sind meist nach ähnlichen
Flächen und Volumenkriterien aufgebaut
zwei-,, vier-,, sechsgeschossig
g
g
Erarbeitung von solarunterstützten
Lösungen die für derartige Gebäude passen.
Verfügbare Dachfläche definiert ggf. die
L i t
Leistung
des
d Systems
S t
100% solare Leistung ist bei den gegebenen
Randbedingungen normalerweise nicht
möglich.
Beispiel für ein mögliches Konzept
Solarunterstützte DEC Anlage für die
Frischluftversorgung
„Baukastensystem“ für Typgebäude
RLT-Gerät mit definiertem Luftvolumenstrom
Passende Anzahl von Kollektoren
Passenden Zubehör (Pumpen, Rohre, Speicher, MSRTechnik)
Integriertes Backupsystem
Fachinstitut
Gebäude-Klima e.V
Verfügbare Technik
Geschlossene Prozesse
Klimakaltwasser
Fest
Offene Prozesse
Klimatisierung
Flüssig
Fest
Flüssig
Wasser/silica-gel
Ammonia-salt
Wasser/LiBr
Ammoniak/Wasser
Wasser/Silikagel
Zeolithe
Wasser Kalziumchlorid
Wasser – Lithiumchlorid
Verfügbare Technik
Adsorptionskältemaschine
Absorptionskältemaschine
DEC System
Feldtest
Verfügbare Leistung
50 – 430 kW
12 – 5,000 kW
20 – 350 kW
-
COP
0.3 – 0.7
0.6 – 0.75 (single eff.)
<1 2 (double eff
<1.2
eff.))
0.5 up to >1
up to >1
Typische Systemtemp.
60 – 95°C
80 – 110°C (single)
130 – 160°C (double)
45 – 95°C
45 – 70°C
Solartechnologie
Vakuumkollektor
Flachkollektor
Vakuumkollektor
konzentrierende Systeme
y
Flachkollektor
Luftkollektor
Flachkollektor
Luftkollektor
©
4
Mögliche Primärenergieeinsparung durch solarthermische Kälteerzeugung
- Klimakaltwasser -
Unterstellt man:
40% d
davon fü
für di
die
Komfortklimatisierung
700 Vollbenutzungsstunden
Gesamtstrombedarf
(umgerechnet auf
Primärenergie)
von ca. 263,4 GWh
(EER = 3
3,5).
5)
Primärenerrgie [GWh]
Schätzung Verkaufszahlen
[EUROVENT] von
g in
Kaltwassererzeuger
Deutschland pro Jahr 1.100
MW (Neubau und Sanierung).
270
250
230
210
190
170
150
0%
10%
20%
30%
Anteil solarer Klimakaltwassererzeugung bei Neuanlagen
Strom
Restwärme (Gas)
Mögliche Primärenergieeinsparung bei solarer Kaltwassererzeugung
in Abhängigkeit des relativen Anteils für neu installierte Systeme in
Neubau und Sanierung (Solarer Deckungsanteil 70%,
Wärmeverhältnis bei der thermischen Kälteerzeugung ζ=0,7)
©
5
Mögliche Primärenergieeinsparung durch solarthermische Kälteerzeugung
- Sorptionsklimasysteme -
Unterstellt
U
t t llt man:
60% davon Zuluft
49% davon mit Kühlung
Gesamtstrombedarf
für Kühlung
(umgerechnet auf
Primärenergie)
von ca.
ca 331 GWh.
GWh
350
330
310
Primärenerg
gie [GWh]
Schätzung Verkaufszahlen
von RLT-Zentralgeräten in
pro Jahr 38.000
Deutschland p
Geräte mit einer Luftleistung
von 658 Mio. m3/h (Neubau
und Sanierung).
290
270
250
230
210
331
298
265
232
190
170
150
0%
10%
20%
30%
Anteil Sorptionsklimaanlagen am Gesamtmarkt (mit Kühlung) bei Neuanlagen
Stromeinsatz für Kühlung
Mögliche Primärenergieeinsparung bei Absorptionsklimasystemen in
Abhängigkeit des relativen Anteils für neu installierte Systeme in
Neubau und Sanierung
©
6
RICHTLINIE 2002/91/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES
über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden
Die Methode zur Berechnung der
Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden umfasst
mindestens folgende Aspekte:
Heizungsanlage
g
g und Warmwasserversorgung,
g g einschließlich ihrer
Dämmcharakteristik,
Belüftung,
passive
Solarsysteme
und
Sonnenschutz,
i S
l
t
dS
h t
natürliche Belüftung,
Innenraumklimabedingungen, einschließlich des Innenraum-Sollklimas.
©
7
Beispiel Rechenweg für solare DEC
DEC--Anlage
DIN V 18599 Teil 5
storage
Boiler
Raumlasten in
der Nutzungseinheit
Ablufttemperatur
Abluftfeuchte
Zulufttemperatur
Z
l ftt
t
Zuluftfeuchte
DIN V 18599 Teil 3
DIN V 18599 Teil 2
DIN V 18599 Teil 7
©
8
Beispiel Rechenweg für Absorptionskältemaschine
DIN V 18599 Teil 5
1
4
2
1. Solarkollektor
3
2. Wärmeübertrager
6
7
5
3. Speicher
4. Zusatzheizung
5. Speicher
6 Thermische Kältemaschine
6.
7. Kühlturm
8. Kaltwasserspeicher
(noch nicht integriert
9
8
9. Wärmeübertrager
DIN V 18599 Teil 3 für RLT
DIN V 18599 Teil
T il 2 für
fü Raumkühlung
R
kühl
DIN V 18599 Teil 7
©
9
Simulation Nutzenergiebedarf DEC
DEC--Anlage
Nutzenergiebedarf
1
0,9
0,8
[MWh]
0,7
0,6
Klassisch
Kl
i h
DEC
Kälte
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Monate
Monatliche Werte aus der Simulation können im weiteren Rechenverfahren nach DIN V
18 99 verwendet
18599
d werden.
d
Anlage 12h/Tag
1000 m3/h
18°C Zulufttemperatur
©
10
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
www.fgk.de
www.rlt--info.de
www.rlt
www.raumklimageraete.de
www.raumkuehlsysteme.de
www.fia--news.de
www.fia
Fachinstitut
Gebäude-Klima e.V
Solarthermische Kühlung
kleiner Leistung
Entwicklungen an der Hochschule für Technik
Stuttgart:
Flüssigsorption und Absorptionskälte
Prof. Dr. Ursula Eicker
zafh.net
zentrum für angewandte forschung an fachhochschulen
nachhaltige energietechnik
Solare Kühlung kleiner Leistung
Firma/
Institut
Einsatzbereich
Kälteleistung
Q0
Arbeitsstoffpaar
Heiztemperatur TH
Kältetemperatur T0
TU
Berlin/Phönix
Gebäudekühlung
10 kW
H2O - LiBr
90 °C
+15 °C
ILK Dresden
FH Köthen
Gebäudekühlung
15 kW
NH3- H2O
95 °C
+6 °C
TU Illmenau
Ill
Kühl h k
Kühlschrank
80W / 100W
NH3- H2O / H2
140 °C / 200 °C
-5,5
5 5 °C / -18
18 °C
Solarfrost
Kühlschrank /
Gebäudekühlung
100-400 W /
2 kW
NH3- H2O / H2
80 °C / 80 °C
-30 °C / +6 °C
HfT Stuttgart
Gebäudekühlung
2,5 kW
NH3- H2O / He
100°C bis 150 °C
+10 °C bis -10 °C
HfT Stuttgart
Gebäudeklimatisierung
g
1,3 kW (300
m³/h)
/ )
H2O –
LiCl/CaCl
/
50 – 90°C
18 – 20°C
Sortech
Gebäudekühlung
10 kW
Zeolithe,
Silikagel / H2O
80 °C
+6 °C
Menerga
Gebäudeklimatisierung
6,5 kW (1500
m³/h)
H2O – LiCl
50 °C bis 70 °C
18 – 20°C
+ Universität Stuttgart, Pink „Chillie“, ILK - EAW - Schüko, Rotartica, ClimateWell, ZAE – LDCS, ..
zafh.net
Entwicklung DAKM
¾ vom Absorptionskühlschrank
für Caravans und Hotels
¾ zur
Kälteleistung:
40 bis 200 W
solar betriebenen
Diffusions- Absorptionskältemaschine (DAKM)
für Gebäudeklimatisierung
und Kältenutzung
Kälteleistung:
2,5-5 kW
zafh.net
Funktionsprinzip DAKM
zafh.net
E t i kl
Entwicklungsschritte
h itt DAKM
DAKM No.1
DAKM No.2
DAKM No.3
• m = 800 kg
• m = 290 kg
• m = 240 kg
• Höhe = 3
3,7
7m
• Höhe = 2
2,4
4m
• Höhe = 2
2,3
3m
zafh.net
Gewicht: 240 kg
Höhe:
2,30 m
Dephlegmator
DAKM Prototyp III
Kondensator
(Plattenwärmetauscher)
Verdampfer
Gaswärmetauscher
Austreiber Nr.5
mit 0,37 m Förderhöhe
Absorber
Lösungswärmetauscher
zafh.net
Weiterentwicklung Prototyp III
Vergrößerung Verdampferoberfläche
G öß
Größerer
A
Austreiber
t ib
Neue Konstruktion des Verdampfers für eine
optimierte Kältemittelverteilung
Kompakteres Kondensatorbauteil
Geringere Bauhöhe
Reduzierung der Grundfläche
zafh.net
Zusammenfassung DAKM Ergebnisse
DAKM I
DAKM II
DAKM III
DAKM IV
geplant
3 – 5 kg/h
g/
4 - 6 kg/h
g/
biss 11 kg/h
b
g/
18
8 kg/h
g/
Kälteleistung
0,5 – 1,5 kW
1,0 – 1,6 kW
1,0 – 3,0 kW
5,0 kW
COP
0,05 – 0,30
0,20 – 0,30
bis 0,3
0,40
800 kg
290 kg
240 kg
250 kg
Abmessungen
1,5 x 0,8 x 3,7 m³
0,8 x 0,8 x 2,4 m³
0,7 x 0,7 x 2,3 m³
0,7 x 0,7 x 2,3 m³
Optimierungspotential
COP
Gewicht
Kälteleistung
COP und
Kälteleistung
COP
COP
o de sat e ge
Kondensatmenge
Gewicht
zafh.net
Visualisierung DAKM, Solarsystem, Kühlsystem
zafh.net
Betriebsbegleitende Simulation solarer
Kühlung
Kühl
zafh.net
Zukünftige Forschungsthemen
DAKM COP:
Verdampfer/Absorberoptimierung:
e da p e / bso be opt e u g Verbesserung
e besse u g
der (drucklosen) Verteilung im Teillastbetrieb (bei
geringen Volumenströmen)
Rückwärmzahl Lösungswärmetauscher bei
Verwertung ausgetriebenen Kältemittels (Erhitzung
reiche
i h Lösung
Lö
über
üb Siedetemperatur)
Si d t
t )
Rückgewinnung Rektifikationsverluste
T k
Trockene
Rü kkühl
Rückkühlung
zafh.net
Zukünftige Forschungsthemen
Systemtechnik:
y
Mitteltemperatur-Solaranlagen (bis 200°C) in
K bi i mit
Kombination
i DAKM (Anlagenwirkungsgrad,
(A l
ik
d
Hilfsenergie)
Kompaktspeichersysteme (Sorption
(Sorption, Eis
Eis, PCM)
Optimierung der Regelungsstrategie
Datenfernüberwachung, Fernsteuerung
Betriebsbegleitende Simulation, Fehleranalyse,
Fernwartung
zafh.net
Sorptionsanlagen kleiner Leistung
S t
Systemvarianten
i t im
i Vergleich
V l i h
Abluft
Abluft
Abluft
1
1
Fortluft
1
AWheel
RG
HT
2
4
4
HES
HEAU
5
HES
4
2
Zuluft Fortluft
22°C
2
HES
HES
3
Außenluft
System 1:
Ohne Entfeuchtung
7
6
3
Zuluft Fortluft
20°C
Außenluft
System 2:
Mit Sorptionsrad
6
5
3
Zuluft Fortluft Außenluft
19°C
System 3:
Mit Flüssigsorption
zafh.net
1kW Flüssigsorptionsanlage
Abluft
Fortluft
1
4
2
Regenerator zur
Konzentration der
Salzlösungen
Mit Salzlösung und Wasser
besprühter Kreuzstrom-WT
zafh.net
6
Zuluft
l f
5
F tl ft
Fortluft
3
Mit Wasser
W
besprühter
Kreuzstrom-WT
A ßenl ft
Außenluft
Erreichbare Zulufttemperatur: etwa 19°C
19 C
11
0
50 0%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
kJ
System 4
/k
5
kJ
/k
g
10
40
0
kJ
/k
g
ambient air
3
kJ
35
95
g
/k
30
70%
80%
90%
kJ
80
kJ
/k
g
g
/k
g
/k
22
kJ
kJ
20
75
70
g
/k
18
Water content [g
[g/kg]
g]
kJ
g
/k
g
/k
16
kJ
kJ
g
/k
14
65
60
55
supply air 18.8°C
g
/k
12
exhaust air
kJ
kJ
g
/k
10
50
45
g
/k
g
/k
g
/k
g
/k
8
6
g
/k
5
kJ
kJ
kJ
kJ
kJ
6
40
35
30
25
20
4
g
/k
85
dehumidified return air
2
kJ
h idifi d ambient
humidified
bi t air
i
2
20
10
0
4
return air
1
25
15
60%
90
Temperatuure [°C]
g
10
45
40%
45%
50%
24
26
zafh.net
40
Outlet tempe
erature return air [°C]
-1
Dehumidification return air [g kg ]
10
8
6
4
2
35
30
25
20
0
45
50
55
60
65
70
45
75
b)
Entfeuchtung der Abluft in der WTEinheit (12g/kg Eintrittsfeuchte)
55
60
65
70
75
Relative humidity return air [%]
Relative humidity return air [%]
a)
50
LiCL experiment
LiCL calculation
CaCL2 experiment
CaCL2 calculation
Temperatur der Abluft am Austritt aus der
WT-Einheit (26°C Eintrittstemperatur)
zafh.net
Sorptionsanlagen kleiner Leistung
L f d undd geplante
Laufende
l t Forschungsbereiche
F
h
b i h
Abluft
Abluft
Fortluft
Fortluft
RG
RG
HEAU
HEAU
MAU
HES
HES
Zuluft
Zuluft
Fortluft
Außenluft
System 4:
Mit wassergekühlter
Flüssigsorption
Fortluft
Außenluft
System 5:
Mit zusätzlicher isothermer
Zuluftentfeuchtung mit
Membranabsorber
zafh.net
Zusammenfassung Forschungsbedarf
System- und Regelungstechnik
F ldt t
Feldtest
Komponentenentwicklung Absorber (Membran,
besprühte Wärmetauscher)
Grundlagen Diffusion – Absorption: Gasblasenpumpe,
Hilfsgaskreislauf Filmbildung etc.
etc
Hilfsgaskreislauf,
zafh.net
Titel
Entwicklung einer solar angetriebenen
Absorptionskälteanlage/Wärmepumpe
mit einem Eis-Speicher
Thomas Brendel
Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW)
Universität Stuttgart
Prof. Dr. Dr.-Ing. habil. H. Müller-Steinhagen
Pfaffenwaldring 6, D-70550 Stuttgart
Brendel / 1
Motivation - Konzeptentwicklung
•
Das Streben nach immer höherem solarem Deckungsanteil bei
Solaranlagen für Hausheizung führt zu größeren Kollektorfeldern
die im Sommer häufig in Stagnation gehen.
•
•
Vakuum-Röhren-Kollektoren finden immer häufiger Anwendung
•
Industrielle Kühlmethoden (Grundwasser, Wasser aus Flüssen und
Seen, Nasskühltürme) sind für Kleinanlagen nicht anwendbar
•
Um die Verfügbarkeit und damit den Komfort zu erhöhen, sind
Speicher wünschenswert.
Somit besteht die Möglichkeit, eine thermisch angetriebene
Kältemaschine in bestehende Solar-Anlagen einzukoppeln
Brendel / 2
Motivation - „unser“ Konzept
Errichtung einer solar getriebenen Absorptionskälteanlage mit
•
•
•
•
•
dem Stoffpaar Ammoniak- Wasser
einer Kälteleistung ca. 10 kW
Kühlung durch Umgebungsluft
Flach-Kollektoren als Wärmequelle
Einbindung eines Eis-Speichers
Brendel / 3
Die Absorptionskälteanlage
Brendel / 4
Die Absorptionskälteanlage
Brendel / 5
Messtechnik
Brendel / 6
Kühlkonzept
•
•
Es werden insgesamt 5 Kühlregister verwendet
Kondensator und Absorber haben eigene Kreisläufe
– Kondensator mit 2 Registern, Volumenstrom 1600 l/h
– Absorber mit 3 Registern, Volumenstrom 2000 l/h
•
•
•
Jedes Register ist separat absperrbar
Jedes Register hat einen separat schaltbaren Ventilator (250 W)
Alle Ventilatoren können über einen Frequenzumrichter drehzahlgesteuert betrieben werden
Brendel / 7
Das Kollektorfeld
•
•
12 doppelt verglaste Flachkollektoren
Gesamtfläche 32 m²
Brendel / 8
Schwerpunkte des Forschungsprojektes
•
•
•
•
•
•
•
Weiterentwicklung der Anlage (Austreiber)
Senkung der Anlagenkosten
Erprobung der ausschließlichen Luftkühlung
Entwicklung eines Eis-Speichers
Erprobung des Wärmepumpenbetriebs
Entwicklung von Regelstrategien
Senkung des Verbrauchs von elektrischem Strom
Brendel / 9
Stand des Projektes
•
•
•
•
•
Anlage wurde mit Kollektorfeld vermessen
Ein neuer Austreiber wurde entwickelt
Konzepte für einen Eis-Speicher wurden entwickelt
Verschiedene Konzepte eines Eis-Speichers werden vermessen
Regelstrategien wurden entwickelt
Brendel / 10
Ergebnisse Messungen mit Kollektorfeld
ϑHW, Austreiber, ein
82,0
90,0
102,4
109,8
116,6
Heizleistung [kW]
10,0
10,5
14,8
8,75
12,0
ϑkW, Verdampfer, aus [°C]
5,4
15,3
15,3
15,8
14,9
Kälteleistung [kW]
6,0
7,2
10,8
5,41
7,1
ϑKW, Kondensator, ein [°C]
22,3
26,6
26,9
39,8
36,8
ϑKW, Kondensator, aus [°C]
26,0
30,3
31,9
42,6
40,5
ϑKW, Absorber, ein
[°C]
21,1
27,3
26,5
40,9
37,6
ϑKW, Absorber, aus
[°C]
25,5
32,2
33,8
45,3
43,3
0,58
0,66
0,72
0,60
0,58
COP
[°C]
&
Q
Verd.
COP = &
Q Austr. + PPumpe
Brendel / 11
Nächste Schritte
•
•
•
•
Einbau von 120 m² Kühldecken
Erprobung des „echten“ Kühlbetriebs mit Eis-Speicher
Erprobung der Wärmepumpenbetriebs
Erprobung einer automatischen Anlagensteuerung mit SPS
Brendel / 12
Fazit
•
Es wurde eine Absorptions-Kälteanlage mit einer Leistung von ca.
10 kW errichtet und in Betrieb genommen
•
Die Anlage kann, ausschließlich mit Luft gekühlt, bei guter Effizienz
betrieben werden
•
Die dazu nötigen Heiztemperaturen können von hoch effizienten
Flach-Kollektoren problemlos bereit gestellt werden
•
Ansätze zur Kostenreduzierung sind vorhanden
Brendel / 13
PtJ-Workshop am ITW Stuttgart, 3. Mai 2007
Solare
S
l
Kli
Klimatisierung
ti i
iim R
Rahmen
h
d
des
Solarthermie 2000plus Förderprogramms
PtJ-Workshop
p Solare Klimatisierung
g
3. Mai 2007, ITW Stuttgart
Edo Wiemken, Hans-Martin Henning
Fraunhofer-Institut für Solare
Energiesystems ISE
Solarthermie2000plus:
Anwendungsbereiche
Große solarthermische Anlagen > 100 m²
Kombisysteme
b
zur Heißwasserß
erzeugung und
Heizungsunterstützung
Prozesswärmeunterstützung
Fernwärmeunterstützung
g
Solaranlagen zur Raumkühlung
- Demonstrationsprojekte
- Pilotprojekte
Solarthermie2000plus:
Begleitforschung für Vorhaben zur solaren Kühlung
(Demonstrationsvorhaben)
Diskussion des Vorhabens mit Antragsteller
(Optimierung des Konzeptes)
Unterstützung des Projektträgers in der Auswahl der
förderfähigen Vorhaben
Erarbeitung eines Monitoring-Konzeptes zusammen
mit den beteiligten Forschungseinrichtungen*,
vergleichende Darstellung der Monitoring-Ergebnisse
Hilden,
* ZfS Hilden
Technische Universitäten
Ilmenau und Chemnitz,
Fachhochschulen
Offenburg und Stralsund
Verbreitungsaktivitäten
Aktivitäten zur Einrichtung eines neuen IEA Task
‚Solar Air-Conditioning and Refrigeration‘
(Task 38)
Begleitforschung: Auswahl der Vorhaben
Auswahl der Vorhaben: Kriterien
Reduzierung der Kühllasten durch
gebäudetechnische
bä d t h i h Maßnahmen
M ß h
Nutzungsstruktur in
Übereinstimmung mit Möglichkeit
der solaren Kühlung
Anlagenkonzept
g
p erlaubt
nennenswerte Einsparungen an
Primärenergie im Vergleich mit
einem konventionellen
Referenzsystem
Gute Ausnutzung des
solarthermischen Systems
gewährleistet
Sinnvolle
Si
ll hydraulische
h d
li h Auslegung
A l
Auswahl der Vorhaben: Kriterien
Reduzierung der Kühllasten durch
gebäudetechnische
bä d t h i h Maßnahmen
M ß h
Nutzungsstruktur in
Übereinstimmung mit möglichkeit
der solaren Kühlung
Anlagenkonzept
g
p erlaubt
nennenswerte Einsparungen an
Primärenergie im Vergleich mit
einem konventionellen
Referenzsystem
Gute Ausnutzung des
solarthermischen Systems
gewährleistet
Sinnvolle
Si
ll hydraulische
h d
li h Auslegung
A l
Systemgrenze: solar unterstütztes System
solar radiation
conversion
system boundary: solar assisted system
Primary
energy
solarcollector
ffossil
il
fuel
heat supply
heat
storage
boiler
air-conditioning
other
other
media
water
chiller,
thermal
heating,
hot water
cooling
heat
rejection
electricity
waste heat
Systemgrenze: Vergleichssystem
conversion
system boundary: reference system
Primary
energy
heat supply
ffossil
il
fuel
boiler
air-conditioning
other
chiller,
el. compr.
heating,
hot water
cooling
heat
rejection
electricity
waste heat
Beispiel
Abschätzung der PEEinsparung für die
Technikerschule Butzbach,
45%
40%
eingesparte Prrimärenergie
e
Abschätzung:
PE-Einsparung
35%
30
35
40
45
50
55
60
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
0
Vergleichssystem:
el. Kompressions-KM,
Gasboiler
40
60
80
100
120
140
160
Speichervolumen, l/m2
Koste
en eingesparte PE, €/kWh
Absorptions-KM,
p
, 20 kW
Vakuumröhrenkollektoren,
ca. 60 m²
20
0.4
0.3
30
35
40
45
50
55
60
0.2
0.1
0
0
50
100
150
2
Speichervolumen, l/m
200
Projektstand
15 Anfragen
Bewilligt und in Planung: 2 Vorhaben
- 1 Demonstrationsvorhaben
- 1 Pilotvorhaben (Begleitung: TU-Berlin)
In Antragsphase: 2 Vorhaben
evtl. Aufforderung zum Antrag: 4
Vorhaben
h b
Abgelehnt / zurückgezogen: 6 Vorhaben
ausschließlich
hli ßli h K
Kaltwassersysteme;
lt
t
keine sorptionsgestützte Klimatisierung
(SGK)
Eine Anfrage zur Prozesskühlung
(abgelehnt)
Projektstand - Anlagengröße
1400
Kälteleistu
ung, thermisc
ch [kW]
1200
1000
800
nicht realisiert
evtl. realisiert
600
400
200
0
0
5000
10000
15000
20000
gekühlte
kühlt Fläche
Flä h [m²]
[ ²]
25000
30000
Projektstand: Kollektorfläche
Aussicht auf Realisierung
Alle Anfragen
5
A
Anzahl
4
3
2
1
0
< 100
100 - 300
> 300 - 500
> 500 - 1000
Kollektorfläche Apertur [m
Kollektorfläche,
[m²]]
> 1000
Projektstand: Installierte Kälteleistung (thermisch)
Aussicht auf Realisierung
Alle Anfragen
6
5
A
Anzahl
4
3
2
1
0
10 - 50
> 50 - 100
> 100 - 300
> 300 - 700
Nennkälteleistung P_thermisch
P thermisch [kW]
> 700
Projektstand: spezifische Kollektorfläche
Kollektorfläche / Installierte Kälteleistung (thermisch)
10
m²² / kW
8
6
4
2
0
1
2
3
4
In Planung / Antragsphase
5
6
7
8
evtl. Aufforderung zum Antrag
9
10
11
12
13
14
Abgelehnt / zurückgezogen
15
Projektstand - Komponenten
(Vorhaben mit Aussicht auf Realisierung)
Kältetechnik
in 2 Vorhaben ist die Kältetechnik bereits
vorhanden
thermisch angetriebene Kältetechnik:
1 (2) Vorhaben mit Adsorptionskältemaschinen, alle anderen Absorptions-KM
Adsorptions-KM in Projekt in
FESTO AG: eine der drei Adsorptionskältemaschinen zur Kühlung des Technologie-Zentrums in Berkheim
Planungsphase: Mayekawa, 3 x 400 kW
(vorhanden)
Absorptions-KM: York (vorhanden),
Yazaki,
Ya
aki
2 x EAW, 2 x Sonnenklima
Kollektoren
2 Vorhaben mit Flachkollektoren,
sonst Vakuumröhrenkollektoren
in den drei größten Vorhaben:
nur-Wasser Systeme bzw. Heat-pipes in
Diskussion
Speicher: konventionell (Wasser);
in einem Vorhaben wird ein zusätzlicher
Kiesspeicher zur Kältespeicherung
diskutiert
Rückkühltechnik
überwiegend konventionell
(nasse Rückkühlung mit offenem
Kühlturm)
zwei Vorhaben mit Hybrid-Kühlturm zur
f i
freien
Kühlung
Kühl
iim Wi
Winter
t
trockene Rückkühlung wird in einem
Vorhaben diskutiert ((kleinstes System
y
mit 10 kW Kälteleistung)
Nutzung des Kühlwassers zur
Brauchwasser-erwärmung (Klinik) mittels
Wärmepumpe in einem Vorhaben in
Diskussion
Backup
ausschließlich Gaskessel:
1 Vorhaben
ausschließlich el. Kompressions-KM:
2 Vorhaben
Gaskessel + Abwärme (Produktion,
BHKW):
2 Vorhaben
überwiegend autonomer Kühlbetrieb;
Gaskessel nur zur Gebäudeheizung:
3 Vorhaben
Beispiel 1: Technikerschule Butzbach
¾ Ni
Niedrigenergie-Gebäude
di
i G bä d
¾ Bedarf für Klimatisierung
durch Nutzungsdichte und
EDV-Ausstattung
¾ 330 m² Gebäudefläche für
Klimatisierung mit Kühldecken und Lüftungsgegg
räten vorgesehen
¾ 2 x 10 kW Absorptions-KM
(Sonnenklima)
¾ ca. 60 m² VakuumröhrenKollektoren
Beispiel 2: Technologie
Technologie-Zentrum
Zentrum FESTO AG,
AG Berkheim
¾ 26000 m² klimatisierte Fläche
¾ Energieeffizientes
ff
Gebäude;
b d
- Wärmeschutzmaßnahmen
- Lüftungssysteme
- Betonkernaktivierung
¾ Vorhanden:
- 3 x 400 kW Adsorptions-KM
- Abwärmenutzung, max. 800 kW
- freie Kühlung im Winter
- Erdpfähle
¾ In Planung:
1200 m²² solarthermisches
l th
i h KolK l
lektorfeld VRK (nur-WasserSystem)
¾ Installation: evtl
evtl. Sommer 2007
Technologie-Zentrum
Photo: FESTO AG
Beispiel 3: St.
St Hedwigs-Klinik,
Hedwigs Klinik Berlin
¾ 6200 m² klimatisierte
Fläche
¾ Zulufkühlung, Umluftkühlung für altes neues
Klinikgebäude
l k b d
¾ freie Kühlung im Winter
¾ 300 kW thermische KM
¾ 450 kW el.
l Kompr.-KM
K
KM
¾ ca. 700 m² VRK
¾ Wärmepumpe zur Nutzung der Kühlwasser
Kühlwassertemperatur
¾ Kiesspeicher (Kälteseite)
Beispiel 3: St.
St Hedwigs-Klinik,
Hedwigs Klinik Berlin
Konversion
Einstrahlung H,
TUmgebung
Wärmeerzeugung
Fernwärme
Primärenergie
Systemgrenze:
y
g
solar unterstütztes System
y
Q
Solarkollektor
Q
Q
Solarspeicher
Q
Q
Elektrizität
Eel
Q
Wärmepumpe
Klimatechnik
Q
Q
AKM
KKM
Q
Q
NTspeicher
andere
Medien
Q
KWQ speicher
Q
Eel
Q
Heizen, Brauchwasser
Q
KiesKi
speicher
Rückkühlung
freie Kühlung
Wasser
Abwärme
Q
Kühlen
Q
Zwischenstand
evtl. 8 Realisierungen
unterschiedlicher Erfahrungshorizont der Planer im Bereich
Solarsysteme / thermisch angetriebener Kühlung
in mehreren Vorhaben leichte / deutliche Verbesserungen des
Anlagenschemas erreicht
eine Berechnung der erforderlichen Anlagengröße wurde nur in
drei Anfragen durchgeführt bzw. in Auftrag gegeben, hier
bestehen die größten Unsicherheiten auf der Planungsseite
eine Vor-Dimensionierung zur Ermittlung einer sinnvollen
Anlagengröße und zur Abschätzung der PE-Einsparung wurde vom
ISE in 4 Vorhaben durchgeführt (3 weitere geplant)
Derzeit keine ideale Lösung der Stillstandsproblematik großer
Kollektorfelder: parallele Demonstrationsprojekte evtl. sinnvoll
zweii Vorhaben:
V h b
Planer
Pl
identisch
id ti h mit
it K
Komplettsystem-Anbieter
l tt
t
A bi t
Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH
„Stand
Stand und Perspektive der solaren Klimatisierung aus der Sicht
des ILK Dresden“
PtJ-Workshop
p Solare Klimatisierung
g – Stuttgart
g
03.05.2007
„Stand und Perspektive der solaren Klimatisierung aus der Sicht des ILK“
1. Bisherige Aktivitäten / abgeschlossene Themen
2. Augenblickliche Arbeiten
3. Anträge
4. Zukünftige Themen / Chancen / Bedarf
28.03.2007
2
100
90
80
70
433 Downloads bis Herbst 2006
D o w n lo ad s
60
50
40
30
20
10
a
es
ad
un
tri
an
co
C
r tu
Po
ra
st
ga
li a
l
na
C
en
ed
hi
Au
he
O
th
N
er
et
Sw
rla
al
i la
nd
s
nd
SA
U
ce
Fr
an
U
K
Au
st
r ia
ce
re
e
Ita
ai
n
Sp
ly
G
Th
G
er
m
an
y
0
Frühjahr 2007: ca. 600 Downloads
28.03.2007
3
IEA – Task 25
Ca. 640 unterschiedliche Kombinationen sind möglich
28.03.2007
4
Entwicklung von H2O/LiBr-Absorptionskältemaschinen (Projektpartner Fa. EAW)
Technische Daten (Bsp. SE 50)
Kaltwasser: 15 / 9 ° (54 kW)
Heizwasser: 86 / 71 °C (72 kW)
Kühlwasser: 27 / 32 °C
C (126 kW)
COP: 0,75
Si l Eff t AKM
Single-Effect
W
Wegracal
l SE 50
28.03.2007
5
Markteinführung Solaroptimierte Absorptionskältemaschine (EAW, Schüco)
M d ll ih Schüco
Modellreihe
S hü Solar
S l Cooling
C li Unit
U it LB 15,
15 30
Leistungsdaten
Solar Cooling Unit
LB 15
LB 30
Kälteleistung
15 kW
30 kW
Wärmeleistung
20 kW
40 kW
0 75
0,75
0 75
0,75
Wä
Wärmeverhältnis
häl i
Heiztemperatur
70 ... 95°C
Q ll „Schüco
Quelle
S hü International
I t
ti
l KG“
28.03.2007
6
Messprogramm Berufsschule Rodewisch
– Experimenteller Nachweis eines energetisch sinnvollen Einsatzes thermischer
Solarenergie (sommerliche Kühlung)
Ermittlung folgender Größen:
m& W , Δt
Q&
Solar
Pel
Q&
Q&
m& W , Δt
m& W , Δt
m& W , Δt
- Jahresarbeitszahl Wärmepumpe
Pel
- Wärmeverhältnis AKM
Kessel
Pel
m& W , Δt
m& W , Δt
WP
Pel
- Solare Deckung
Erdsonde
AKM
m& W , Δt
m& W , Δt
RKW
m& W , Δt
Pel
Pel
t,φ
φ
- Stunden ohne Luftaufbreitung
Strahlung
Sonnenstunden?
28.03.2007
7
Messprogramm Berufsschule Rodewisch – Solare Deckung
Monatsmittel des solaren Beitrages an der Heizung der Absorptionskältemaschine
1,00
1 00
1,00
0 97
0,97
0,93
0,90
0,84
0,81
0,80
0,70
0,64
0,60
0,50
0,50
0,40
0,35
0,34
0,34
0,30
Mittelwert: 52 %
Relevanter Bereich
0,20
Erwartung: 85 %
0,10
0,00
Deze
ember
Nove
ember
Okktober
Septe
ember
August
A
Juli
Juni
Mai
April
März
Fe
ebruar
Januar
0,00
28.03.2007
8
Entwicklung Regelungstechnischer Software
– Belastungsprognose
B l t
(P
(Prognoseregelung)
l
)
– Steuerungssystem für thermisch träge Prozesse (Speicher, Bauteilaktivierung)
– Fehlerüberwachungssystem für RLT-Anlagen
28.03.2007
9
3. Anträge
Mitarbeit IEA - TASK 38
B5 Installation and commissioning guidelines
– Umsetzungsrichtlinien für die solare Klimatisierung
Æ Qualitätssicherung (Planung, Konstruktion, Inbetriebnahme)
Æ Qualitätskontrolle (Betrieb)
Aktueller PtJ
PtJ-Projektantrag:
Projektantrag: „Entscheidungshilfe
Entscheidungshilfe für die solare Klimatisierung“
Klimatisierung
28.03.2007
10
Commissioning – Sicherstellung der Qualität der TGA
Source: U.S. General Services Administration April 2005
28.03.2007
11
3. Anträge
Anwendungsmöglichkeiten Solarkollektoren (Projektpartner Schüco)
28.03.2007
12
3. Anträge
AKM kleiner Leistung (Projektpartner EAW)
Ziel:
Kälteleistung ca. 5 kW
Anwendung:
kleine Solaranlagen (EFH)
Probleme:
Komponenten, Kosten, Aufstellung, Rückkühlung
28.03.2007
13
4. Zukünftige Themen / Chancen / Bedarf
Systemintegration
– PnP-Anlagen (“steckerfertige Systeme”)
– Miniaturisierung (Systeme kleiner Leistung)
Komponentenentwicklung
– Miniaturisierung (Komponenten kleiner Leistung)
– Kostenoptimierung
– Effizienzsteigerung
g
g
Monitoring
– Planungsunterstützung
Pl
t tüt
– Betriebsüberwachung, Fehlerdiagnose
28.03.2007
14
Ende der Präsentation
Institut für Luft- und Kältetechnik
Gemeinnützige Gesellschaft mbH
Bertolt-Brecht-Allee 20
01309 Dresden
Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH
Dipl.-Ing. R. Mai
________________________________________
Tel.:
+49 351 / 4081-658
Fax:
+49 351 / 4081-655
E-Mail:
[email protected]
www:
www.ilkdresden.de
____________________________________
Klaus Huber, Dipl.-Ing. (FH)
S
Solar
unterstützte
ü
Klimatisierung des
g
Berkheim der Firma Festo
Technologierzentrums
A l
Anlagenkonfiguration
k fi
ti
und
d Messsystem
M
t
Klaus Huber Dipl.-Ing. (FH)
PtJ-Workshop
03.Mai 2007
1
Bestehende Kälteversorgung
•
•
•
•
Nachtauskühlung
Freie Kühlung mit Kühltürmen (3 x 1350 kW)
Erdpfähle unter Technologiezentrum (3 x 48 kW)
3 Adsorptionskältemaschinen
(3 x 500 kW Kälteleistung, Antriebswärme von Kompressoren und Gaskesseln (60°C)
• Bauteil-Kühlung,
g Umluftkühler
Kälte
PtJ-Workshop
03.Mai 2007
2
Bestehende Wärmeversorgung
•
•
•
•
•
Gas-Brennwert-Kessel (insgesamt 5,6 MW)
Abwärmenutzung von Kompressoren (ca.
(ca 800 kW)
Bauteil-Heizung
K
Konvektoren
kt
Fußbodenheizung in Atrien
Wärme
PtJ-Workshop
03.Mai 2007
3
Einbindung Solaranlage
• Vakuumröhrenkollektoren
(1218 m² Aperturfläche, Neigung 30°, Azimut ca. 18° West)
• Nur-Wasser-System
• 2 Solar-Speicher à 7 m³
• Anbindung an Kältemaschinen über das
Heizungssystem
• Direkte Anbindung an Bauteiltemperierung
Solaranlage
PtJ-Workshop
03.Mai 2007
4
Kollektorfeld
Bau 06
AdKMs
Technologie Center
Betriebsgelände Festo Berkheim Gesamtansicht
PtJ-Workshop
03.Mai 2007
5
Schema Solaranlage und Adsorptionskälte
Schema
PtJ-Workshop
03.Mai 2007
6
Anforderungen an das Messkonzept
• Analyse des Betriebs der Anlage
– Störfälle
– Optimierungspotential
O ti i
t ti l
• Temperaturniveau
• Stromverbrauch
• Regelung
• Hydraulik
• Zusammenspiel AdKMs mit Solarsystem
• Ermittlung von Anlagenkenndaten
(Solarertrag, Nutzungsgrade, Deckungsgrad, solare Wärmekosten)
• Überprüfbarkeit der Energiegarantie
Messkonzept
PtJ-Workshop
03.Mai 2007
7
Messtechnik
PtJ-Workshop
03.Mai 2007
8
Datenerfassung
•
•
•
•
3 HWH-Datenlogger + Mess-PC
79 Messstellen
Modemanbindung
Anbindung des Mess
Mess-PC
PC an LON
LON-GLT
GLT
Datenerfassung
PtJ-Workshop
03.Mai 2007
9
Zusammenfassung und Ausblick
•
•
•
•
•
•
Weit verzweigtes Wärme-/Kältenetz
g
Messsystem
y
notwendig
g
Umfangreiches
Installationsbeginn demnächst
Inbetriebnahme: August/September 2007
Erste Ergebnisse Ende 2008
Prognostizierter Ertrag: ca. 500 MWh/a
Datenerfassung
PtJ-Workshop
03.Mai 2007
10
ZAE BAYERN
mit kompakter Wasser/LiBr-Absorptionskälteanlage
Piloteinsatz einer kompakten Wasser/LiBr-Absorptionskälteanlage
in Verbindung mit einem innovativen Speicherkonzept
zum Heizen und Kühlen
Förderkennzeichen 0329605D
Christian Schweigler
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE Bayern)
Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien
D-85748 Garching
www.muc.zae-bayern.de
[email protected]
GLIEDERUNG
ZAE BAYERN
mit kompakter Wasser/LiBr-Absorptionskälteanlage:
• Konzept, Projektinhalt
• Aktueller Stand des Projekts, erste Ergebnisse
Nächste Schritte:
• Kälteleistung < 5kW
• Kältemaschine / Wärmepumpe / integrierter Kessel
Solar Cooling: “Conventional” System
ZAE BAYERN
solar
collector
absorption chiller
heat
exchanger
storage tank
e.g. chilled ceiling panels
cooling tower
Solar Cooling: “Conventional” System
ZAE BAYERN
WET COOLING TOWER
• Optimum (lowest) heat sink temperature
• Facilitates low solar collector temperature
! Water consumption
! Fogging
? Water treatment
cooling tower
? Maintenance, Cost
? Legionella
System Design
ZAE BAYERN
OBJECTIVE: System without wet cooling tower
LATENT HEAT STORAGE + DRY AIR-COOLER
Impact of chilled water temperature and reject heat temperature
on driving heat temperature
Driving Heat
Temp.
ter
a
dw
e
l
l
C
i
Ch 12/6°
105/100°C
100/95°C
not
feasible
r
ate
w
d
ille 5°C
h
1
C
18/
90/85°C
80/75°C
Example:
Water/LiBr Absorption Chiller
Reject Heat
Temp.
27/35°C
Wet
Cooling
Tower
32/40°C
PCM
+ Dry AirCooler
40/45°C
Dry
Air-Cooler
Solar Heating & Cooling: Integrated System
ZAE BAYERN
COOLING
MODE
Absorptionswärmepumpe
bzw. Kältemaschine
CHILLER
15°C
105°C
18°C
100°C
45°C
WärmeSpeicher
Heizkessel
100%
dry cooling
40°C
Luftwärmetauscher
32°C
DRY AIR
COOLER
PCMSpeicher
Solarkollektor-
SOLAR
anlage
SYSTEM
NT- Kühl-/Heizsystem
HEATING /
COOLING
SYSTEM
ZAE BAYERN
COOLING
MODE
Day-Time
Operation:
Charging of
PCM-Storage
bzw. Kältemaschine
CHILLER
15°C
90°C
18°C
85°C
40°C
WärmeSpeicher
AUX.
Heizkessel
BOILER
partly
dry cooled
32°C
Luftwärme- 40°C
tauscher
32°C
DRY AIR
COOLER
PCM-
36°C
Speicher
Solarkollektor-
SOLAR
anlage
SYSTEM
HEATING /
COOLING
SYSTEM
LATENT
HEAT
STORAGE
32°C
ZAE BAYERN
COOLING
MODE
bzw. Kältemaschine
CHILLER
WärmeSpeicher
Night-Time
Operation:
Discharging of
PCM-Storage
AUX.
Heizkessel
BOILER
Luftwärmetauscher
18°C
DRY AIR
COOLER
PCM-
22°C
Speicher
Solarkollektor-
SOLAR
anlage
SYSTEM
HEATING /
COOLING
SYSTEM
LATENT
HEAT
STORAGE
25°C
ZAE BAYERN
HEATING
MODE
bzw. Kältemaschine
CHILLER
WärmeSpeicher
Surplus
Solar Heat:
Charging of
PCM-Storage
AUX.
Heizkessel
BOILER
Luftwärmetauscher
32°C
PCM-
35°C
Speicher
Solarkollektor-
SOLAR
anlage
SYSTEM
HEATING /
COOLING
SYSTEM
LATENT
HEAT
STORAGE
ZAE BAYERN
HEATING
MODE
bzw. Kältemaschine
CHILLER
WärmeSpeicher
Low
Solar Gain:
Discharging of
PCM-Storage
AUX.
Heizkessel
BOILER
Luftwärmetauscher
32°C
PCM-
35°C
Speicher
Solarkollektor-
SOLAR
anlage
SYSTEM
HEATING /
COOLING
SYSTEM
LATENT
HEAT
STORAGE
PCM-Heat Storage
ZAE BAYERN
PHASE CHANGE MATERIAL
DIMENSIONS
for 10 kW Chiller,
40 m² solar collector (flat-plate)
Salt Hydrate
Calciumchloride CaCl2 · 6H20
28 ... 29°C
• Storage Capacity
120 kWh
(10 Hours, 50% of reject heat)
• Melting Enthalpy
150 J/g
• Volume
1,44 m3
• Mass
2,16 t
Heat
• “Melting Point“
latent
COMPARISION
to Sensible Heat Storage (Water)
sibl
sen
Qlatent
e
specific heat
4,2 J/(g K)
for temperature swing ∆T = 5 K
Qsensible
∆T
Temperature
• Storage Capacity
120 kWh
• Volume
20,6 m3
PCM-Heat Storage
ZAE BAYERN
LATENT HEAT STORAGE: THERMAL DESIGN, CONSTRUCTION
Experimental Test
of 1:10 model system
PCM-Heat Storage
ZAE BAYERN
LATENT HEAT STORAGE: THERMAL DESIGN, CONSTRUCTION
Pilot Installation
PCM-Heat Storage
ZAE BAYERN
0
LATENT HEAT STORAGE:
stored energy, heating 36 °C
stored energy [kWh]
-10
Thermal Test: LOADING
storage 1
storage 2
-20
-30
-40
-50
-60
-70
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00
temperatures, heating 36 °C
0
power, heating 36 °C
36
32
28
outlet storage 1
outlet storage 2
storage 1
storage 2
inlet
24
20
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00
time [h:min]
power [kW]
temperature [°C]
-2
-4
-6
storage 1
storage 2
-8
-10
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00
time [h:min]
PCM-Heat Storage
ZAE BAYERN
stored energy, cooling 22 °C
LATENT HEAT STORAGE:
stored energy [kWh]
70
Thermal Test: UNLOADING
60
50
40
30
storage 1
storage 2
20
10
0
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00
temperatures, cooling 22 °C
outlet storage 1
outlet storage 2
storage 1
storage 2
inlet
temperature [°C]
36
32
28
10
8
power [kW]
40
storage 1
storage 2
6
4
24
2
20
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00
0
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00
time [h:min]
time [h:min]
Pilot Installation
ZAE BAYERN
Development & Demonstration PROJECT
within SOLARTHERMIE 2000plus (Förderkennzeichen 0329605D)
August 2005 to September 2009
10 kW Water/LiBr ABSORPTION CHILLER
2002-2004:
Phönix Sonnenwärme
TU Berlin
ZAE Bayern
Institute Building, Garching/Munich
Pilot Installation
ZAE BAYERN
Hydraulic Scheme
Radiative
Heating
/ Cooling
Heiz-/Kühldecken
Absorption Chiller
Absorptionskältemaschine
Solarkollektorfeld
Solar
Collector
G
M
A/K
M
V
Heat Distrib.
Verteiler:
Heizung
(HT)
(High Temp.)
M
M
M
M
M
Verteiler:
Heat Distribution
Kälte,
(Low Temp.)
Heizung
(NT)
M
+
+
M
Latent Heat
Storage (PCM)
M
Rückkühler
Dry Air Cooler
Latentwärmespeicher
AußenluftAir
Ambient
ZAE BAYERN
Kompakte Wärmetauscher
KubALiBr
ZAE BAYERN
Options for standardized heat exchanger blocks
solution distribution
solution distribution
refrigerant
out
refrigerant
out
refrigerant
in
Multipass
plain tube bundle
vapor
refrigerant
refrigerant
in/out
vapor
refrigerant
refrigerant
in
Finned
tube heat exchanger
solution
drop
refrigerant
out/in
Plate
heat exchanger
KubALiBr
ZAE BAYERN
Options for standardized heat exchanger blocks
Multipass
plain tube bundle
Finned
tube heat exchanger
Plate
heat exchanger
⇒ Improved vacuum tightness
⇒ Enhanced heat and mass transfer
KubALiBr
ZAE BAYERN
Results: Heat transfer per volume (Absorption)
Reference (100%):
Plain tube bundle
Improved
Compactness
ZAE BAYERN
Solares Heizen & Kühlen:
Kältemaschine / Wärmepumpe mit
integriertem Backup (Kessel)
Solar-assisted Cooling:
Primary Energy Saving ?
ZAE BAYERN
Primary Energy Consumption [kWh/kWh]
1,4
Solar-assisted Sorption Cooling
with fossil-driven backup operation
1,2
SingleEffect
1
DoubleEffect
Reference System:
100% Compression Cooling
COP COMP=3
0,8
efficiency of standard
compression chiller systems
COP COMP=4
0,6
COP COMP=5
COP COMP=6
0,4
wasting PE PE saving
0,2
wasting PE
0
0
0,2
0,35
0,4
PE saving
0,55
0,6
Solar Fraction [%]
0,8
1
Combination of One-Stage and Two-Stage Chiller:
Double/Single-Effect Chiller
ZAE BAYERN
Back-Up-System
solar heat
exhaust gas utilization
Double-Effect/Single-Effect Chiller: heating and cooling
Heat-Pipe-Mode:
“Kessel”
ZAE BAYERN
Fossil Burner
G2
Exhaust System
SHX2
C1
C2
G1
la
A
Connection to heating network
or
E
ct
SHX1
so
la
rr
ad
ia
tio
n
le
ol
rC
Hot Water
Storage
So
Single Stage Absorption Chiller
EHX
G2 = High Temperatur Generator
G1 = Low Temperatur Generator
EHX = Flue Gas Heat Exchanger
SHX1 = First Solution Heat Exchanger
SHX2 = Second Solution Heat Exchanger
C2
= Hight Temperatur Condenser
C1
= Low Temperatur Condenser
A
= Absorber
E
= Evaporator
DE/SE-Kälteanlage für KWKK (FKZ 0327385A )
ZAE BAYERN
Hochtemperaturaustreiber
Dampf
Komponentenentwicklung:
direkt-beheizter Austreiber
Fallrohr - Umlauf
einstufiger
Anlagenteil
starke Lösung
Lös
ung
ga
b
A
s
schwache Lösung
DE/SE: Systementwicklung (FKZ 0327385A)
ZAE BAYERN
Pilotprojekt
Bodenseetherme Konstanz
Flue Gas ≈ 450°C/840°F
High Temperatur
Generator 2
200°C/390°F
120°C/248°F
Water
Water Steam
Double-Effect/
Single-EffectKälteanlage
(350 kW Kälte)
Chimney
Condenser 2
96°C/204°F
Absorber/Condenser 1
45°C/114°F
Heating Water
35°C/95°F
82°C/180°F Engine Block
Cooling
65°C/149°F
50°C/122°F Oil Cooler
Mixture Cooler
25°C/77°F
Chilled Water
8°C/46°F
90°C/194°F
84°C/183°F
Electric
Generator
Cogeneration
Motor Unit
Evaporator
Heating Circuit
Two Stage
Absorption Chiller
75°C/167°F
50°C/122°F
45°C/114°F
35°C/95°F
Water Distributor with
Hydaulic Compensation
Low Temperatur
Generator 1
Flue Gas
Heat Exchanger
Solare Klimatisierung:
Schwerpunkte ZAE Bayern
ZAE BAYERN
Kleine Leistungen:
• Kompakte Wärmetauscher
• System:
– trockene Rückkühlung mit Latentwärmespeicher
– Kältespeicher
Solares Heizen & Kühlen:
• Zweistufige Anlagen mit integriertem Backup:
- Backup fossil: Zweistufige Kälteanlage
- Gleichzeitiges Heizen und Kühlen
- Wärmepumpenfunktion, Kesselbetrieb
Offene Sorptionssysteme:
• Heizen, Kühlen, Entfeuchten
• Speicherung
(Solare Klimatisierung eines Bürogebäudes in Singapur, mit L-DCS Technology GmbH)
Technische Universität Berlin
Institut für Energietechnik
Solar unterstützte KlimatisierungsKlimatisierungs und Kühlverfahren
Erfahrungen und Projektideen
Felix Ziegler
Ziegler,
Fachgebiet Maschinen- und Energieanlagentechnik
Erfahrungen:
Änderungen und Konstanten
Projektideen:
Kurzfristig Fehler vermeiden
Langfristig integrieren
Was hat sich in letzter Zeit geändert? Nicht viel:
- Solares
S l
Kühl
Kühlen wird
i d zunehmend
h
d nachgefragt
h f t
- (Solares) Kühlen wird von der Politik wahrgenommen
- Es gibt speziell viele europäische Anbieter für kleine Leistungen
Was ist gleich geblieben? Fast alles:
- Solares Kühlen ist zu teuer
- Lebensdauer und Wartung wird wenig diskutiert
- Primärenergieeinsparung ist nicht immer gegeben
- Systemtechnik
y
wird sehr individuell,, aber meist falsch gemacht
g
- Teillast wird vernachlässigt
- Probleme der Rückkühlung werden ausgeblendet
- Photovoltaische Alternativen werden ausgeblendet
- Varianten aus den 70ern werden erneut diskutiert
Forschungsbedarf ist demnach überall zu finden:
- Prozesse
- Komponenten
- Arbeitsstoffe, Hilfsstoffe, Werkstoffe
- System- und Regelungstechnik
Schöne,
S
hö
lleicht
i ht zu fö
fördernde
d d P
Projekte:
j kt
- Demonstrationen
- Neue Anlagen
Hässliche, schwer zu fördernde Projekte:
- Lebensdauer,
Lebensdauer Wartung …
wettbewerblich
- Details, Komponenten, Regelungstechnik …
Thermodynamik, Stoffe
Stoffe, Korrosion …
- Grundlagen: Thermodynamik
- neue Prozesse
vor-wettbewerblich
- Hilfsenergie, Systemtechnik, Rückkühlung …
Kompressionskältetechnik:
Reversibilisierung der Expansion
Expansionsmaschinen statt Drossel
Rückgewinnbare Arbeit
1 + COP η m
=
COP
q0 1 − Δh COPη
m
q0
ΔCOP
0,5
0,4
Δh
Δh/ 0=0,05
Δh/q
0 05
0,3
ΔCOP/COP
0,2
Δh/q0=0,02
01
0,1
Δh/q0=0,01
0
0
2
COP
4
6
Kompressionskältetechnik:
Reversibilisierung der Expansion
Expansionsmaschinen statt Drossel
Je besser der Prozess,
d t sinnvoller
desto
i
ll
eine Verbesserung!
Rückgewinnbare Arbeit
1 + COP η m
=
COP
q0 1 − Δh COPη
m
q0
ΔCOP
0,5
0,4
Δh
Δh/ 0=0,05
Δh/q
0 05
0,3
ΔCOP/COP
0,2
„Selbstverständliche“
I
Irreversibilitäten
ibilität
vermeiden!
Δh/q0=0,02
01
0,1
Δh/q0=0,01
0
0
2
COP
4
6
Falsch ist:
Trocknung durch Taupunktunterschreitung
Kühlung durch Rückbefeuchtung
Nasse Rückkühlung und Abluftbefeuchtung
i t dagegen
ist
d
erlaubt!
l bt!
„Selbstverständliche“
I
Irreversibilitäten
ibilität
Prozesse anpassen oder kombinieren!
vermeiden!
Augenmerk auf Hilfs- und Zusatzenergie
Parameters: COPcom=3;; η
η=0.3;; COPabs=0.8;; ηb=0.9
2
auxiliary power demand pa=0
Π
pa=1%
1,5
pa=10%
10%
Primärenergievergleich
Pa = pa Q1 = pa Q0
break
even
1
0,5
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Solar fraction
Π=
PERabs
PERcom
=
ηb COPabs
η COPcom
1 + pa (1 + COPcom )
η
1 + pa (1 + COPabs ) b − sff
η
>1
1 + COP
COP
Vermeidung von Verteilungsverlusten:
Fassadenintegration
Absorption
0,5
400
Peltier
0,5
400
Kompression
3
70
COP
Antrieb
Leistung pro Fassadenlänge
[W/m]
Fläche pro Fassadenlänge
1,6
8,0
2
[ /m]
[m
/ ]
Abwärme Leistung pro Fassadenlänge
600
600
[W/m]
Fläche pro Fassadenlänge
1,2
1,2
[m2/m]
Parameter: Einstrahlung 500 W/m;
Wirkungsgrad 0,5 (Solarthermie) bzw. 0,1 (Photovoltaik);
Wärmedurchgangskoeffizienten 50W/m2K;
treibende Temperaturdifferenzen 5K
1,3
270
0,5
Komponenten:
Miniaturisierung - Spezialisierung
Kondensator
Kollektor/Austreiber
Verdampfer
Kollektor/Austreiber
Absorber
Fenster
Verdampfer
Fenster
Absorber
Beispiel:
Fassadenintegrierte solare Kühlung
Brüstung
Kaltluftprozess:
Variation ähnlich wie bei Mikrogasturbine
Umgebungswärmeübertrager
Innere Wärmeübertrager
Gekühlte
Gebläse
Verdichter
Entspannungsmaschine
hi
Kühlraum
Entspannungsmaschine
hi
Kühlraum
Gebläse statt Verdichter
Reversibel: COP≈10
Mit 80% Maschinengüte: COP ≈1
100
100
100
PV+Wärme
40
10
50
40
40
8
60
Kompression
p
+Sorption
condenser
T1
generator
T2
QQgen
2 Solare Antriebswärme
rectifier
tifi
absorber
T1
Q0
evaporator
p
p1
Pcomp
compressor
T0
π= p1 / p0
p0
Antriebsarbeit
Hybridisierung
y
g
Absorptionskälte im Solarbetrieb
und Kompressionskälte im fossilen Betrieb;
Sinkende Temperatur und Strahlungsleistung kann
bedarfsgerecht durch Verdichtereinsatz kompensiert werden
werden.
Intermittierende Last bzw. Dargebot:
Inhärente, notwendige Pufferwirkung bei
Festsystemen,
y
, aber wenig
g flexibel
Inhärente, mögliche Pufferwirkung bei
Flüssigsystemen, sehr flexibel
Für offene oder g
geschlossene Prozesse!
Kurzfristig:
g
Fehler vermeiden
Große Leistungen:
Systemtechnik, Kosten, Details
Kleine Leistungen:
Integrative Konzepte, Grundlagen
Strömungsmechanik
Wärmeübertragung
Regelungstechnik
Erfahrungen aus laufenden Demonstrations
Demonstrationsvorhaben und daraus ableitbarer F&E-Bedarf
PTJ-Workshop Solare Klimatisierung, 03. Mai 2007, ITW Stuttgart
Dipl.-Ing. Jan Albers
IEMB Institut für Erhaltung und
Modernisatierung an der TU Berlin.
Salzufer 14
10587 Berlin
Tel/Fax: +49/30/399 21 -733 / -851
Datei: PTJ_Workshop_2007_IEMBTUB.ppt
TU Berlin
Marchstraße 18
10587 Berlin
Tel/Fax: +49/30/314 -25314 /-22253
Erfahrungen
aus laufenden Demonstrationsvorhaben
und daraus ableitbarer F&E-Bedarf
F&E Bedarf
Dipl.-Ing. Jan Albers
1. Einleitung / Erfahrungshintergrund
2. Kollektorfelder für solare Kühlsysteme (SAC-Systeme)
3. Anlagentechnik
4. Regelung
5. Bauausführung
g
Erfahrungshintergrund
BPA
BMVBW
UBA
U
Phönix
ö
Sorption- Absorption
Chiller
2 x WFC10
2 x 44 kW
Absorption
2 x WFC10
2 x 42 kW
Adsorption
1 x NAK-C 020
1 x 69 kW
Absorption
1 x 10 kW
Solar
ca. 240 m²Ab
Collector Evacuated tube
collectors
ll t
ca. 210 m²Ab
Flat plate
collectors
ll t
ca. 350 m²Ab
Evacuated tube
collectors
ll t
ca. 25 / 42 m²Ab
Evacuated tube
/ flat
fl t plate
l t coll.
ll
Storage
Hot water:
1.500 l
Hot water:
6.000 l
Hot water:
22.500 l
Hot water:
750 l
Chilled water:
without
Chilled water:
500 l
Chilled water:
10.000 l
Chilled water:
without
Thermall
Th
District heating
Electrical
El
ti l
- Compr. chiller
- Ice storage
Thermall & El
Th
Electrical
t i l Thermal
Th
l
- District heating
- Gas burner
- Compr. chiller
Backup
B
k
System
BPA:
BMVBW:
UBA:
Phönix:
Bundespresseamt
Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (heute BMVS)
Umweltbundesamt Dessau
Forschungsprojekt mit Phönix Sonnenwärme AG, ZAE Bayern, TU Berlin, IEMB
Solare Kühlung ist ….
- attraktiv und
- von internationaler Bedeutung
Südkoreanische Premierministerin
informiert sich über Erneuerbare Energien in Deutschland
Quelle: Presseportal, 20.06.2006
Solare Kühlung ist ….
- zuverlässig ?!?
- effizient ?!?
Quelle: Bild-Zeitung, 30.01.2007
Kollektorfelder für SAC-Systeme – Kaleidoskop
SAC-System
UBA Dessau
BPA Berlin
IB Anhaus Fürth
Klinikum Freiburg
LFU Augsburg
Galderma (France)
CARTIF (Spain)
UC3M (Spain)
Phänomen / Auswirkung
Dampfaustritt
f
im Gebäude
G
Æ Evakuierung des Gebäudes
Abblasen, ungleichm. Durchströmung
Æ Reduzierte Leistungsfähigkeit
Erste Planung mit 'Low Flow'
Æ Gefahr von Dampfbildung
Dampfaustritt auf dem Dach
Æ Feuerwehreinsatz
Dampfschläge
Æ Austausch Wärmeübertrager
g
Austritt des Wärmeträgers Æ außer Betrieb
Demontage der Standardregelungen für
Kollektorfeld und AKM Æ Kosten
Ersatz von Vakuumröhren durch
Flachkollektoren Æ Kosten
(Vermutete) Ursache
derzeit unbekannt
Hydraulikfehler
Korrosion Luft
Korrosion,
Luft, u
u.a.
a
Verbindungstechnik (?)
Lastverlauf (?)
Hydraulik (?)
Auslegung
g g Solar-WT ((?))
Hydraulik (?)
Î Verbesserung der Planung und Realisierung von Kollektorfeldern
für SAC-Systeme (Qualitätssicherung/-kontrolle)
Aber: Derzeit noch fehlende, systematische Ursachenermittlung, Dokumentation etc.
Anlagentechnik
Im UBA Adsorptionskälteanlage, weil
- Fernwärme im Sommer max. 75°C
- Absorptionskälteanlage serienmäßig nicht verfügbar
100
100
90
90
80
80
t
70
D1h
Kälteleisstung / kW
Tempe
eratur / °C
• Vakuumprobleme auch in anderen SAC-Systemen
SAC Systemen mit AdKA ?
• Wer hat den Überblick, wer fasst das zusammen ?
• Wie werden die Betreiber unterstützt, um tatsächlich
die geplante Effizienz bei CO2-Einsparungen zu erreichen?
60
50
40
t
AC1c
30
t
20
GBU
70
60
50
Q
40
E1
30
20
E1h
10
0
Q
10
0
50
100
150 200 250 300 350
Laufende Stunde im Juli 2006
400
450
0
0
50
100
150 200 250 300 350
Laufende Stunde im Juli 2006
400
450
Regelung
Zusammenwirken von Regelung
g
g und Hydraulik
y
ist entscheidend für Systemeffizienz
y
AKM
tEi
tEc
AKM
tEo
tEi
tEc
tEo
Randbedingung:
- Heizwassertemp. durch solar
bestimmt (kein Wärme-Backup)
- Kühlwassertemp.
Kühl
kkonstant
geregelt (z.B. 27°C)
- Kaltwassersollwert tEo,soll
muss eingehalten werden
BMVBW / UBA Hydraulik vereinfacht
KKM 2
AKM 1
AKM 1
1-2
2
KKM 1
1-3
3
Verbraucher
BMVBW
Verbraucher
UBA
Regelung
Zusammenwirken von Regelung
g
g und Hydraulik
y
ist entscheidend für Systemeffizienz
y
Î Systemübergreifende Auswertung von
- Hydraulik
y
und Regelung
g
g
- Betriebsdaten
Ziel: Berücksichtigung von Systemspezifika aber dennoch
Ableitung verallgemeinerbarer Planungsempfehlungen
0.8
0.6
70
COP 80°/24.0°C
60
COP 88°/29,5°C
COP / -
0.5
0.4
50
Q E,95°/31,0°C
E 95°/31 0°C
COP 95°/31,0°C
Q E,88°/29,5°C
0.3
40
Q E,80°/24,0°C 30
0.2
QE
tEo
0.1
35 kW
35 kW
35 kW
8°C
8°C
8°C
tGi
tACi
95°C 31,0°C
88°C 29,5°C
80°C 24,0°C
COP
20
0,57
0,69
0,72
10
0.0
0
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Kaltwasser Austrittstemperatur tEo / °C
15
Kälteleistung QE / kW
0.7
80
Bauausführung
• Teilweise falsche Rohrdimension im Kollektorfeld
• Hydraulischer Abgleich im Kollektorfeld nicht ausgeführt / ausführbar
• Verwendung ungeeigneter Dichtmaterialien im Kollektorfeld
• Bauablaufplanung nicht optimal (Kollektorbefüllung)
• Rückkühlwerk hydraulisch falsch angeschlossen
• Kühlregister hydraulisch abgeklemmt
• Leistungsabnahme
L i t
b h
Kält
Kältemaschine
hi nicht
i ht erfolgt
f l t (Richtlinien
(Ri htli i ?)
• Planungsvorgabe zur AKM-Steuerung nicht funktionsfähig
• Wechselwirkung hydraulische Einbindung SAC-System
und Regelung auch nach Inbetriebnahme nicht funktionsfähig
• MSR-Firma / Programmierer erhält nur unzureichende
Pl
Planungsvorgaben
b
Î Nicht 'weniger
weniger Planung',
Planung , sondern 'bessere
bessere Planung'!
Planung !
Wissenstransfer durch Erfahrungsträger
Zusammenfassung / Forschungsbedarf
1) Wissenschaftliche Weiternutzung bestehender SAC
SAC-Systeme
Systeme
ggf. mit Umsetzung von Verbesserungsmaßnahmen
- Regelung
- Hydraulik
- Wartung Messtechnik
- Komponententechnik
2) Systemübergreifende Auswertung von
- Hydraulik und Regelung
- Betriebsdaten
Trennung in offene und geschlossene Systeme (?)
3) Verbreitung von verallgemeinerbaren Detailerfahrungen
z.B. halbjährigen Workshops von Betreibern+Forschern
4) Verbesserung der Planung und Ausführung

Solare Klimatisierung

Transcrição

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