Projekt 22692/01

Untersuchung und Optimierung eines Verfahrens zur solaren Kälteerzeugung auf Basis von Parabolrinnenkollektoren und einer Dampfstrahlkältemaschine

Projektträger

Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT)
Osterfelder Str. 3
46047 Oberhausen
Telefon: 0208/8598-1195

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Möglichkeit mittels einer solaren Dampfstrahlkältemaschine (DSKM) mit Parabolrinnenkollektoren und Wasser als Kältemittel Kälte zu erzeugen wurde bislang nur theoretisch untersucht. Gegenstand des Projektes ist der Bau einer Versuchsanlage mit der das reale Verhalten einer solaren DSKM untersucht werden kann. Mit Hilfe dieser Versuchsanlage soll die Funktionsfähigkeit dieses Konzeptes praktisch gezeigt und die bisher vorliegenden nur theoretischen Berechnungen unter realen Versuchsbedingungen überprüft werden. Dabei soll insbesondere das Betriebsverhalten optimiert und die Einsatzgrenzen ausgelotet werden. Das über das Projekt zu erreichende Ziel ist die Grundlagen für eine Pilotanlage zu ermitteln.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAuf Basis vorhandener Kenntnisse wird eine solare DSKM mit Parabolrinnenkollektor als Versuchsanlage konzipiert. Die Einzelkomponenten werden für eine Kälteleistung von 1-2 kW dimensioniert. Der Planung schließt sich der Bau der Versuchsanlage an. Mit Hilfe der Versuchsanlage werden die Funktionalität und das Betriebsverhalten der solaren DSKM untersucht. Dies geschieht zunächst im Rahmen von Freilandversuchen. Die bei den Versuchen aufgenommenen Betriebsdaten werden ausgewertet und insbesondere das Betriebsverhalten der PRK sowie des Strahlverdichters mit 1,7 mm Treibdüse analysiert. Anschließend werden kleinere technische Optimierungen an der Versuchsanlage durchgeführt und die Anlage für Indoor-Versuche am Kollektorteststand an der Ruhr-Universität Bochum vorbereitet. Mit den Versuchsfahrten am Kollektorteststand wird dann das Betriebsverhalten des Strahlverdichters mit einer 1,5 mm Treibdüse sowie das Umkipp-Verhalten des Strahlverdichters untersucht. Ferner werden bei diesen Versuchen alternativ zu dem Parabolrinnenkollektoren auch ein Vakuumröhrenkollektor eingesetzt. Abschließend werden die Messdaten ausgewertet und Wirkungsgrade der Anlage bestimmt und ein Regelkonzept zum Betrieb des Strahlverdichters erarbeitet.


Ergebnisse und Diskussion

Die Kennwerte der PRK konnten im Rahmen der Freilandversuche ermittelt werden. Die PRK zeigt ähnliche gute Wirkungsgrade wie der VRK. Die spezifische Wärmekapazität der VRK ist deutlich höher als die des PRK, was sich durch geringere Leistungsschwankungen bei Wolkendurchgängen bemerkbar machen dürfte. Der Wirkungsgrad der Versuchsanlage liegt bei der 1,7 mm Treibdüse bei 0,15 - 0,5 und bei der 1,5 mm Treibdüse bei 0,3 - bis 0,7. Die Treibdüsenwirkungsgrade sind mit 0,7 für die 1,5 mm und 0,55 für die 1,7 mm Treibdüse geringer als erwartet. Im Rahmen von Umkippversuchen wird die Charakteristik des Strahlverdichters, die das Betriebsverhalten der DSKM bestimmt, untersucht und ein mindestens erforderlicher Treibdampfdruck ermittelt. Dieser mindestens erforderliche Treibdampfdruck wird als Funktion des Saugdampfdruckes und des Kondensatordruckes dargestellt und als Regelgröße für den Treibdampf vorgeschlagen. Ferner wird der Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad und Rückkühltemperatur sowie Kaltwassertemperatur dargestellt und auf den daraus resultierenden hohen jährlichen mittleren Wirkungsgrad einer DSKM hingewiesen.
Die Jahresertragsrechnung und anschließende wirtschaftliche Betrachtung zeigt, dass die solare DSKM durchaus mit solaren Absorptionskältemaschinen konkurrieren kann. Dabei schneidet die solare DSKM besonders an Standorten mit niedriger durchschnittlicher Feuchtkugeltemperatur gut ab. Dies sind gleichzeitig auch oft Standorte mit hoher Direktstrahlung , so dass die Parabolrinnenkollektoren und die DSKM sich gut ergänzen. Unter ökologischen Gesichtspunkten scheint die solare DSKM gegenüber anderen Kältemaschinen vorteilhafter.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Eine Veröffentlichung der Projektergebnisse ist durch eine Fachveröffentlichung und Vortrag auf der Solar Heating and Cooling International Session 61st ATI National Congress in Perugia, Italien 2006, geplant.


Fazit

Die solare DSKM ist unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten eine interessante Alternative zu anderen Verfahren der solaren Kühlung. Bislang wurde jedoch dieser Technik kaum Beachtung geschenkt, so dass Demonstrationsanlagen bislang nicht realisiert wurden.
Eine genauere Betrachtung des Betriebsverhaltens der DSKM zeigt jedoch, dass die DSKM im Teillastbereich und bei guten Rückkühlbedingungen hohe COP Werte erreichen kann, was sich bei einer Jahresbetrachtung durch einen guten mittleren COP bemerkbar macht.
Nach Abschluss des Projektes wäre nun der Bau einer ersten Demonstrationsanlage der folgerichtige Schritt diese Technik weiter voranzutreiben und am Markt zu etablieren.