Projekt 04038/78

Demonstrationsanlage zur solaren Raumkühlung

Projektträger

Verein zur Förderung des Nachwuchsesim Bau- und Holzgewerbe (VFN) e. V.c/o Knobelsdorff-Schule
Nonnendammallee 140 - 143
13599 Berlin
Telefon: 030/33503-290

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bau und Erprobung einer solaren Klimaanlage mit niedrigen Antriebstemperaturen, die den Einsatz hochwertiger Flachkollektoren ermöglicht. Es sollen die Nachteile der heute noch überwiegend eingesetzten Kompressionskältemaschinen mit ihrem hohen elektrischen Energiebedarf und den in ihrer Langzeitwirkung noch nicht erforschten Kältemitteln vermieden werden. Es ist die weitgehend zeitliche Übereinstimmung zwischen Kühllasten und Solargewinnen, die die sommerliche Klimatisierung mit Sonnenenergie ökologisch so interessant erscheinen lassen. Um die Möglichkeiten der solaren Raumkühlung auch in unseren Breiten zu demonstrieren und Erfahrungen für nachfolgende Anwendungen zu sammeln, soll ein Konferenzraum am OSZ Bautechnik I mittels einer solargetriebenen Feststoff-Absorptionskältemaschine gekühlt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEntscheidend für das Gelingen des Vorhabens ist der Einsatz einer Feststoff-Absorptionskältemaschine, die mit einer relativ niedrigen Antriebstemperatur von 70°C betrieben wird. Die Kältemaschine arbeitet mit Metallsalz als Absorptionsmittel und dem weder zum Treibhauseffekt noch Ozonabbau beitragenden Kältemittel Ammoniak (NH3). Die zwei Reaktionsbehälter der Kältemaschine ermöglichen eine quasi kontinuierliche Kälteerzeugung.
Eine möglichst ganzjährige Nutzung des als Antriebsquelle dienenden thermischen Kollektorfeldes soll dadurch erreicht werden, dass die gewonnene Solarwärme im Sommer zum Kühlen eines Konferenzraumes und im Winter zum Heizen eines Werkstattraumes eingesetzt wird. Als Kollektoren sind einfache Flachkollektoren vorgesehen. Ein im Solarkreis zwischengeschalteter Pufferspeicher soll einen kontinuierlichen Betrieb der Kältemaschine auch bei zeitweiliger Bedeckung der Sonne ermöglichen.
Um den Kältebedarf des zu kühlenden Konferenzraumes zu minimieren, wird der Raum mit einem Jalousiensystem zur Tageslichtlenkung ausgestattet, das einerseits eine zu starke Sonneneinstrahlung aus dem Raum halten und andererseits die Tageslichtausleuchtung des Raumes verbessern soll. Ein ggf. vorhandener Restlichtbedarf wird durch ein sich selbstregelndes dimmbares Leuchtensystem gedeckt. Zur Kühlung des Raumes wird ein Kühldeckensystem eingebaut, das ebenso wie die zur Behei-zung des Werkstattraumes eingesetzte Flächenheizung auf Kunststoff-Kapillarrohrmatten basiert.
Zur Steuerung und zur Aufnahme der für die Bewertung der Anlage erforderlichen Messdaten wird ein PC-gestütztes Messerfassungssystem eingesetzt. Die Ermittlung der Messdaten soll dazu dienen, Erkenntnisse über das Betriebsverhalten der Absorptionskältemaschine und über das Zusammenspiel aller Anlagenkomponenten zu gewinnen. Insbesondere soll untersucht werden, wie es sich auf den Betrieb der Absorptionskältemaschine auswirkt, wenn die Antriebswärme direkt von der Kollektorfeldanlage geliefert wird oder wenn die Solarwärme in einem Heißwassertank zwischengespeichert wird.


Ergebnisse und Diskussion

Durch den Einsatz der solargetriebenen Kälteanlage konnte die Temperatur im Testraum im Vergleich zu ähnlich gelegenen Räumen deutlich abgesenkt werden. In Kombination mit den durch die Tageslichtlenkungsjalousien verbesserten Lichtverhältnissen ist so der Raum mit den angenehmsten Arbeitsbedingungen am OSZ entstanden.
In aller Regel lieferte das Kollektorfeld aus selektiv beschichteten Flachkollektoren (effektive Absorberfläche 10,4 m²) in der Zeit zwischen 10:00 und 16:00 Uhr eine Leistung, die für den Direktbetrieb der Kältemaschine ausreichte. Eine Verlängerung der Betriebszeit der Kältemaschine konnte prinzipiell durch den Einsatz des Pufferspeichers erreicht werden. Allerdings zeigte sich, dass bei der gewählten Größe des Kollektorfeldes im Normalfall während des Tages nur ein relativ kleiner Wärmeüberschuss zum notwendigen Aufladen des Pufferspeichers anfiel. Eine Vergrößerung der Kollektorfläche auf 14 m² erscheint daher sinnvoll.
Sowohl im direkten Betrieb über das Kollektorfeld als auch im Betrieb über den Pufferspeicher zeigte die Absorptionskältemaschine ein stabiles Betriebsverhalten. Schwierigkeiten beim Ein- und Ausschalten oder durch Schwankungen der Temperaturbedingungen, besonders der Heißwasservorlauftemperatur, infolge von Witterungseinflüssen oder Benutzerverhalten traten nicht auf.
Bei entsprechender Solarstrahlung wurden mit beiden Betriebsvarianten Spitzenleistungen von über 3000 W und Durchschnittskälteleistungen von deutlich über 1500 W erreicht. Der thermische Wirkungsgrad der Kältemaschine lag im Mittel bei 42,4%. Unter Berücksichtigung eines über verschiedene Ein-strahlwerte gemittelten Kollektorwirkungsgrades von 54,4% ergibt sich bezogen auf die solare Einstrahlung eine Gesamtanlageneffizienz von 23%.
Als entscheidender Betriebsparameter für die Anlageneffizienz erwies sich die Taktzeit, mit der das wasserseitige Umschalten zwischen den Reaktionsbehältern geregelt wird. Eine gute Anpassung der Taktzeit führt einerseits zu einer Vergleichmäßigung der Kälteleistung und andererseits zu einer Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades. Bei optimal angepasster Taktzeit sind Wirkungsgrade von bis zu 46% möglich. Da bisher die verschiedenen Betriebsparameter von der die Anlage betreuenden Person einge-stellt und überprüft werden mussten, wird das zur Anlagenregelung eingesetzte Steuerungsprogramm zur Zeit auf der Basis der bisher gewonnenen Betriebserfahrungen überarbeitet. Ziel ist es, einen Anlagenbetrieb zu realisieren, bei dem sich die Betriebseinstellungen selbsttätig in Abhängigkeit von den jeweils aktuellen Temperaturbedingungen anpassen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Anlagenkonzept wurde ausführlich auf einem Ausstellungsstand während der Messe Solar Energy 2002 in Berlin vorgestellt. Dass solares Kühlen auch in Deutschland möglich ist, konnte dann nach Fer-tigstellung der Anlage im Rahmen von Führungen für Lehrlings-, Studenten- und Stipendiatengruppen sowie weiterer interessierter Gruppen demonstriert werden. Weiterhin wurde die Anlage im Zuge eines Ausbildungskurses der Deutschen Gesellschaft für Solarenergie zur Fachkraft für Solarthermie und wäh-rend einer vom Arbeitsamt durchgeführten Umschulungsmaßnahme für Gebäudebetreuer vorgestellt. Eine Internetdarstellung des Projektes liegt unter www.knobelsdorff-schule.de vor.


Fazit

Sowohl die im sehr sonnigen Sommer 2003 als auch die im eher nass-kühlen Sommer 2004 mit der Demonstrationsanlage erzielten Ergebnisse haben gezeigt, dass auf der Basis der hier eingesetzten Feststoff-Absorptionsanlage solare Kühlung auch mit gängigen Flachkollektoren erfolgreich durchgeführt werden kann. Ein wesentlicher Vorteil für eine mögliche Verbreitung dieser Anlagetechnik besteht darin, dass auch Anlagen mit kleiner oder wie in diesem Fall kleinster Kälteleistung von unter 2 kW realisierbar sind.