Solares Heizen und Kühlen - ETI

08.06.2015
Solares Heizen und Kühlen
Prof. Dr. Manfred Sohn
ÖKOtech Berlin
1. Einleitung
Gerade in Zeiten der erneuerbaren Energien ist die fachgerechte Planung
der Heizung immer wichtiger.
 Eine Wärmepumpe braucht spezielle Bedingungen, damit der Einsatz
sinnvoll gewährleistet werden kann.
 Die thermische Solaranlage muss so in das Heizsystem eingebunden
werden, dass hier ein optimale Energieeffizienz erreicht wird.
 Zunehmend werden Photvoltaikanlagen (PV) empfohlen, die
zur Eigennutzung des Stroms geplant werden. Hier muss dann das
Heizungssystem den eigenen Strom optimal nutzen können.
 Und der Einsatz von festen Brennstoffen ist wieder von anderen
Kriterien abhängig.
 Aber auch der Einsatz von Öl oder Gas ist weiterhin eine Möglichkeit,
eine Heizung effizient mit Wärme zu versorgen.
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Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmG)
Ziel des Gesetzes:
 Verpflichtung zur Nutzung erneuerbarer Energie um bis 2020 einen
erneuerbaren Anteil von 14 % an der bundesweiten Wärme- und
Kälteversorgung zu erreichen.
 In Kraft seit 2009. Geändert 2011.
 Der Umfang des Einsatzes erneuerbarer Energien ist in Abhängigkeit
von der eingesetzten Energieform geregelt.
 Es regelt auch die Möglichkeit von Ersatzmaßnahmen.
 Die Länder können die Anforderungen verschärfen oder auf
bestehende Gebäude, die von der Pflicht nicht betroffen sind,
ausweiten.
Wer ist betroffen:
alle Eigentümer von Gebäuden mit einer Nutzfläche von mehr als 50 m²,
die neu errichtet (alle Gebäude) oder grundlegen renoviert werden
(öffentliche Gebäude).
Ausnahmen gelten
für bestimmte Betriebsgebäude, wie Tierzuchtanlagen,
Gewächshäuser, unterirdische Bauten usw.,
wenn die Nutzungspflicht anderen öffentlich-rechtlichen Pflichten
widerspricht oder technisch unmöglich ist; Denkmalschutz
wenn die Behörde aufgrund eines unangemessenen Aufwands oder
einer unbilligen Härte von der Verpflichtung befreit.
Für Gebäude der Bundeswehr, soweit die Erfüllung der Pflicht
der Art und dem Hauptzweck der Tätigkeit der Bundeswehr
entgegensteht.
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Die Vorbildfunktion von öffentlichen Gebäuden
Öffentliche Gebäude sind Nichtwohngebäude, die sich im Eigentum oder
Besitz der öffentlichen Hand befinden und genutzt werden, auch wenn
sich diese im Ausland befinden
• für Aufgaben der Gesetzgebung
• für Aufgaben der vollziehenden Gewalt
• für Aufgaben der Rechtspflege
• als öffentliche Einrichtung.
Grundlegende Renovierungen sind Maßnahmen, durch die an einem
Gebäude innerhalb von zwei Jahren
• ein Heizkessel ausgetauscht oder die Heizungsanlage auf einen
anderen fossilen Energieträger umgestellt wird
• mehr als 20% der Oberfläche der Gebäudehülle renoviert werden
Die Pflicht kann erfüllt werden über den Einsatz folgender Möglichkeiten
oder in Kombination mehrerer Optionen:
Deckung eines bestimmten Anteils des Wärme- oder Kälteenergiebedarfs bei neuen Gebäuden durch:
solare Strahlungsenergie (15%)
bei MFH 0,03 m² Kollektorfläche pro m²
bei ≤ 2 WE 0,04 m² Apperturfläche pro m²
gasförmige Biomasse (30%)
flüssige Biomasse (50%)
feste Biomasse (50%)
Wärmepumpen (50%)
oder die Durchführung einer Ersatzmaßnahme
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Solaranlage für Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung
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Wärmepumpen
- Deckung des Wärmeenergiebedarfs zu mind. 50 %
- mit Wärmemengen- und Strom- bzw. Brennstoffzähler
- folgende Mindest-Jahresarbeitszahl b:
• Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmepumpen
nur für Heizung: b = 3,5
für Heizung und Warmwasserbereitung: b = 3,2
• alle anderen strombetriebenen Wärmepumpen
nur für Heizung: b = 4,0
für Heizung und Warmwasserbereitung: b = 3,8
• Gaswärmepumpen: b = 1,2
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Prinzip der Kompressionswärmepumpe
Nutzleistung
Zusatzenergie
Umweltenergie
Leistungszahl
e = Nutzleistung/ Zusatzenergie
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Feste Biomasse
-
Deckung des Wärmeenergiebedarfs zu mind. 50 %
-
ausschließlich naturbelassenes Holz, beispielsweise in Form von
Scheitholz, Hackschnitzeln, Sägemehl, Spänen oder Holzpellets, Stroh
oder ähnlichen pflanzlichen Stoffen
-
Biomassekessel oder automatisch beschickter Ofen mit Wärmeträger
Warmwasser
Kesselwirkungsgrad *
mind. 86% bei Leistungen ≤ 50kW
mind. 88% bei Leistungen > 50 kW
mind. 70% bei Anlagen, die nicht der Bereitung von Heizwärme und
Warmwasser dienen
* Kesselwirkungsgrad für Biomassezentralanlagen nach DIN EN 303-5
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Pelletheizkessel, Pelletbeschickung und Pelletlagerung
1 ... Sekundärluft
2 ... Sekundärluft
3 ... Primärluft
4 ... Gebläse
5 ... Autom. Zündung
6 ... Einschubschnecke
7 ... Antriebsmotor für
Einschubschnecke
8 ... Fallschacht
9 ... Austragungsschnecke
10 ... Sicherheitsdeckel
11 ... Bodenrührwerk
12 ... Elektronische
Steuerung
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Gasförmige Biomasse
-
Deckung des Wärmeenergiebedarfs zu mind. 30 %
-
nur bei Nutzung in KWK-Anlage oder einem Heizkessel, mit der
besten verfügbaren Technik
-
auch Biogas in Erdgasqualität aufbereitet
Flüssige Biomasse
-
Deckung des Wärmebedarfs zu mind. 50 %
-
Nutzung in einem Kessel mit der besten verfügbaren Technik
-
entsprechend der Biomasse -Nachhaltigkeitsverordnung
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Aufbau eines motorgetriebenen BHKW
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Deckung des Wärme- oder Kälteenergiebedarfs bei öffentlichen
Gebäuden (bei grundlegender Renovierung) durch:
gasförmige Biomasse (25%)
alle anderen (15%).
Wärmeenergiebedarf?
lt. EEWärmeG:
Der Wärmeenergiebedarf ist die zur Deckung
a) des Wärmebedarfs für Heizung und Warmwasserbereitung sowie
a) des Kältebedarfs für Kühlung
jeweils einschließlich der Aufwände für Übergabe, Verteilung und
Speicherung jährlich benötigte Wärmemenge.
Also:
Das, was der Erzeuger an Wärme an das System übergeben
muss.
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Wärmeenergiebedarf Beispiel: Wohngebäude
Jahresheizwärmebedarf
Wärmebedarf TWW
+ Übergabeverluste
+ Übergabeverluste
+ Verteilungsverluste
+ Verteilungsverluste
+ Speicherverluste
+ Speicherverluste
Wärmeenergie Heizung
Wärmeenergie TWW

Wärmeenergiebedarf
Erzeuger
Ersatzmaßnahme
 Nutzung von Abwärme oder Wärme, die unmittelbar aus
hocheffizienter Kraft-Wärme-Kopplung stammt
 Deckung des Wärmebedarfs zu mind. 50 %
 Unterschreitung der Forderungen der jeweils geltenden
Energieeinsparverordnung um 15 % beim Primärenergiebedarf und
beim Transmissionswärmeverlust
 unmittelbare Deckung des Wärmebedarfs aus einem Netz der Nahoder Fernwärme/Fernkälte, wenn die Wärme zu mindestens 50 %
aus Kraft-Wärme-Kopplung oder Abwärme oder zu einem
wesentlichen Teil aus erneuerbaren Energien stammt.
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Ausgangsdaten für die Planung solarer Heizungs- und
Kühlsysteme
Heizlast nach DIN EN 12831 zur Auslegung der Wärmeleistung des
Wärmeerzeugers und der Raumheizeinrichtungen
Jahresheizwärme- und Jahresenergiebedarf nach DIN V 4108-6 oder
DIN V 18599 in Verbindung mit DIN V 4701-10 und 12 zur Auslegung der
Kollektorfläche bei thermischen Solaranlagen zur Heizungsunterstützung
und zur Auslegung von BHKW´s
Wärme- und Energiebedarf für die Warmwasserbereitung zur
Auslegung der Kollektorfläche für thermische Solaranlagen für die
Warmwasserbereitung
Kühllastberechnung als Grundlage für die Auslegung von Lüftungs- und
Klimaanlagen und zur Dimensionierung von Luftkollektoren.
Faktoren der Heizlast eines Raumes oder Gebäudes
und Zusammenhang mit dem Wärmebedarf
Heizlast in W:
Jahresheizwärmebedarf in kWh/a:
(nach Monatsbilanz):
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Schema zur Energiebilanz eines Gebäudes
Faktoren der Kühllast bei Gebäuden (vereinfacht)
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2. Solare Heizungsunterstützung
Bei über 30 % aller installierten thermischen Solaranlagen handelt es sich
bereits um Systeme zur Heizungsunterstützung
Durch ihre unbegrenzte und kostenlose Verfügbarkeit rückt dabei die
Sonne zunehmend in den Blickpunkt. Trotz seiner nördlichen Lage verfügt
Deutschland über ein erhebliches Potenzial an Sonnenenergie.
Durch Solaranlagen kann realisiert werden:
 Sie übernehmen sowohl die sommerliche Trinkwassererwärmung bis
weit hinein in die Übergangszeit als auch zusätzlich einen Teil der
Heizung
 Da moderne Gebäude besser gedämmt sind, kann die Solaranlage
heute Deckungsbeiträge für die Gebäudeheizung von 10–30 %, bei
Niedrigenergiehäusern sogar bis über 40 % erwirtschaften
 Sie sparen zusätzlich Brennstoff ein
 Sie mindern den Verschleiß von Heizkesseln und verlängern dadurch
dessen Lebensdauer, wodurch nicht unerhebliche wirtschaftliche
Effekte entstehen.
 Sie können im Rahmen der aktuellen Energieeinsparverordnung EnEV
gewinnbringend angerechnet werden.
Die mögliche Energieeinsparung durch den Einbau einer Solaranlage zur
Heizungsunterstützung ist beträchtlich. Die Effizienz solargestützter
Heizungsanlagen ist von einer exakten Planung der Anlagen abhängig. Es
geht nicht mehr um die Planung einer thermischen Solaranlage allein,
sondern um die komplexe Betrachtung des Gesamtsystems Gebäude,
Anlage zur Wärmeversorgung als bi- oder sogar multivalentes System
einschließlich einer entsprechenden Regelung.
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 Passive Sonnenenergienutzung (Fensterflächen)
 Warmwasserkomfort (Bereitschaftszeiten, Leistung, Temperatur).
Besonders die Warmwassersolltemperatur und die Freigabezeiten der
Wassererwärmung wirken sich erheblich auf die Energieeinsparung
aus.
Solaranlage zur Unterstützung der Raumheizung mit zwei
Speichern (puffergeführte Heizung)
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Solaranlage zur Unterstützung der Raumheizung mit
Kombispeicher und geregelter Rücklaufeinbindung
Kombianlage mit Rücklaufanhebung
Mit Kollektorflächen zwischen sieben und 16 Quadratmetern sparen die
Systeme jährlich zwischen 18 und 29 % des Heizenergiebedarfs ein.
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Energieverbrauchssenkung durch Sanierung und Solaranlage
Praxistipps zu Planung und Installation
Die exakte und aussagefähige Planung von thermischen Solaranlagen zur
Heizungsunterstützung bedarf heute in der Regel einer computergestützten Simulation. Zu groß ist die Reihe von Einflussfaktoren, die es zu
berücksichtigen gilt. Dazu gehören insbesondere:
•
Gebäudespezifische Daten: Heizleistung und Verlauf der
Temperaturanforderung, Höhe des Heizungstemperaturniveaus
•
Anlagenspezifische Daten: Zusammensetzung und Zusammenspiel
der Komponenten
•
Lokale und klimatische Einflussgrößen: Wetter, Einstrahlung,
Ausrichtung und Neigung
Erst aus dem Zusammenspiel aller Einflussfaktoren ergibt sich
der genaue Ertrag einer Anlage. Im Folgenden sollen die wichtigsten
Einflussgrößen betrachtet und allgemeingültige Hinweise zur
Dimensionierung gegeben werden.
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Wärmebedarf unterschiedlicher Gebäudestandards
Allgemeine Grundsätze
 Je größer der Wärmebedarf eines Gebäudes, umso größer ist die
durch die Solaranlage einzusparende Brennstoffmenge, umso mehr
sinkt aber auch der mögliche prozentuale solare Deckungsbeitrag.
Während eine bestimmte Kollektorfläche auf einem modernen
Niedrigenergiehaus 40 % des Jahresheizwärmebedarfes decken kann,
würde dieselbe Kollektorfläche auf einem schlecht gedämmten
Altbau kaum mehr als 5 % Deckungsbeitrag liefern.
 Für die Wirksamkeit einer solaren Heizungsunterstützung ist eine gut
abgeglichene Heizung mit großen Spreizungen, niedrigen
Volumenströmen und möglichst niedrigen Rücklauftemperaturen
besonders wichtig. Im Fall einer Nachrüstung lohnt sich deshalb der
Aufwand der nachträglichen Einregulierung.
 Eine solare Heizungsunterstützung ist keine 100%-Heizung. Sie bedarf
immer einer vollwertigen Heizung im Hintergrund. Vermeiden Sie es
deshalb, bei Ihrem Kunden zu hohe Erwartungen zu wecken. Bleiben
Sie realistisch und demonstrieren Sie stattdessen Ihrem Kunden das
jeweils Mögliche an Hand einer Simulation.
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 In Verbindung mit regenerativen Heizungssystemen, wie Pellet- oder
Stückholzkesseln oder auch der Wärmepumpe ergeben sich unter
Umständen andere Dimensionierungsanforderungen: So kann es bei
Kombination mit einer Wärmepumpenheizung sinnvoll sein, einen
möglichst hohen solaren Deckungsbeitrag zu erzielen, um Nachheizung im Hochtarif zu vermeiden.
 Es gilt bereits bei der Planung die erhöhte thermische Belastung aller
Komponenten zu berücksichtigen.
Vergleich mit
und ohne
hydraulischem
Abgleich
schlecht abgeglichen = warmer Rücklauf; gut abgeglichen = kalter Rücklauf
Tipps zur Auswahl der Komponenten
Anlagen zur Heizungsunterstützung unterliegen ganz allgemein einer
erhöhten thermischen Beanspruchung. Davon sind prinzipiell alle
Komponenten betroffen. Nachfolgend einige Hinweise zur Auswahl:
Dichtungen, Dichtmaterialien, Armaturen und Pumpen
• Temperatur-, Glykol- und Druckbeständigkeit (Herstellerfreigabe)
• Nach Möglichkeit Einbau im Rücklauf
• Hanf nicht in Kollektornähe, hier nur metallisch dichtend
• Durchflussmesser in Kollektornähe in Bypass-Ausführung
Dämmung
Auf den Einbau von temperaturbeständigem Material zur Dämmung
achten
.
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Solarfluid
• Zum Schutz des Solarfluids gilt: Anlagenbetriebsdruck beträgt je nach
Herstellerangaben 0,7 bis 1,5 bar zuzüglich 0,1 bar pro Meter statischer
Höhe (an der höchsten Stelle des Systems im kalten Zustand).
•
Kollektoren in Einbaulage waagerecht oder mit unteren Anschlüssen
sorgen für eine geringere Belastung des Fluids, da diese nicht leer
kochen müssen, sondern leer drücken.
•
möglichst wenige Rohrleitungen oberhalb des Kollektors, da deren
Inhalt bei Anlagenstillstand in den Kollektor fließt und dort auch
verdampfen muss.
Ausdehnungsgefäße
• Vorschaltgefäß (oder andere Schutzeinrichtung für das MAG)
installieren (besonders bei großem Kollektorinhalt in Verbindung mit
kurzen Rohrleitungen).
•
Vordruck nach Anlieferung prüfen und an den Anlagendruck anpassen.
Dazu sind Herstellervorgaben/Berechnungstabellen der Hersteller zu
beachten. Gegebenenfalls muss Druck aufgepumpt oder abgelassen
werden.
Vorschaltgefäße
Der Einbau von Vorschaltgefäßen gewinnt zunehmend an Bedeutung. In
Solaranlagen können im Stillstandsfall mitverdampfende Rohrvolumina von
100 % erreicht werden, was zu einer schädlichen Dampfbeaufschlagung
der Membran des Ausdehnungsgefäßes führen kann.
Fühler, Fühlerkabel und andere Kabelisolationen
Fühler sollten an der durch den Kollektorhersteller vorgesehenen Stelle
montiert werden, eine Freigabe als Kollektorfühler durch den
Systemanbieter aufweisen und austauschbar sein.
Empfehlungen zur Vermeidung thermischer Überlastung
• Kollektorfeld nicht überdimensionieren (siehe Punkt 2 „Auslegung“)
• Nach Möglichkeit weitere sommerliche Verbraucher mit einbeziehen
• Betriebsdruck nach Herstellerangaben und nicht unnötig hoch
• Kollektor-Kühl- und -Bypassfunktionen des Reglers richtig einsetzen
und Auswirkungen überprüfen, Anlagenschutzfunktionen des Reglers
nutzen
• Komponenten und Materialien mit Herstellerfreigabe einsetzen
• Vorschaltgefäße (oder andere Schutzeinrichtung für das MAG)
verwenden.
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Beispielsimulation für eine Einfamilienhausanlage zur
Heizungsunterstützung
Position
Beispiel A
Beispiel B
Anlagenart
5 m² Kollektorfläche und
700 l-Kombispeicher
8 m² Kollektorfläche und
700 l-Kombispeicher
Wohnfläche
120 m²
120 m²
6 kW
6 kW
Fußbodenheizung
40°C/30°C
Fußbodenheizung
40°C/30°C
4 Pers./160 l/d
4 Pers./160 l/d
Heizlast
Raumheizeinrichtung
Belegung
Standort
Köln
Köln
Süd, DN 45°
Süd, DN 45°
Deckungsgrad TWB
57,6 %
62,7 %
Deckung gesamt
21,2 %
24,6 %
Systemnutzungsgrad
48,5 %
46,6 %
Ausrichtung
Stand in Wissenschaft und Technik
Bei der sogenannten aktiven, thermischen Nutzung von Solarenergie wird
Anlagentechnik (Kollektoren, Pumpen, Speicher, MSR-Technik) zur
Energiegewinnung herangezogen. Da bei allen Verfahren Solarstrahlung
ein Fluid erwärmt (im weiteren Sinne solares Heizen), soll folgende
Unterscheidung der Verbraucher bzw. der Verfahren im Niedertemperaturbereich (bis 100 °C) die technische Vielfalt zeigen:
► Trinkwasser-Erwärmung (günstig wegen der jährlich relativ
ausgeglichenen Lastprofile im Trinkwasser-Bereich, weit verbreitet, vor
allem Kleinanlagen, aber auch Großanlagen wurden in den letzen
Jahren etabliert),
► Raumheizung (im engeren Sinne solares Heizen)
► Kälte, Klimatisierung (solarthermischer Antrieb von AbsorptionskälteVerfahren, solarthermische Regeneration von adsorptiven Materialien
zur Entfeuchtung, z.B. Silikagel)
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► Trocknung (z.B. landwirtschaftliche Produkte)
► solare Luftsysteme (Sonderstellung: Luft als Arbeitsmittel im
Kollektorkreis statt einer Wasser-Glykol-Mischung, vorwiegender
Einsatz in Verbindung mit konventioneller Klima- oder
Trocknungstechnik)
Kleinanlagen
Kann der Heizung neben der Trinkwasser-Erwärmung auch Solarwärme
zugeführt werden, bezeichnet man das System als Kombianlage. Diese
Anlagen, vor allem im Bereich von Ein- und Mehrfamilienhäusern,
zeichnen sich durch die verschiedensten Schaltungen aus.
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Kombianlage als Ein-Speicher-System
Folgende Tendenzen sind zur Zeit im Kombianlagen-Bereich erkennbar:
Trotz der schwierigen Verhältnisse auf Grund der Gegenläufigkeit von
Angebot und Bedarf werden höhere Erträge, absolut gesehen, angestrebt.
Stark entgegenkommend ist dabei die Entwicklung im baulichen Wärmeschutz mit stark sinkenden Heizlasten und die zunehmende Verwendung
von Heizsystemen mit niedrigen Temperaturen. Letztere sind entscheidend für eine Ertragssteigerung bei Systemen, die die Wärme vom
Speicher an das Heizsystem mittels der natürlichen Temperaturdifferenz
abgeben.
Im Bereich der Europäischen Union werden verschiedene, z.T. länderabhängige Systeme favorisiert, die von den jeweiligen nationalen Randbedingungen abhängen.
Der sommerliche Überschuss an solarer Energie, der bei derartigen für
den Sommer überdimensionierten Anlagen anfällt, führt oft zu diversen
Detailproblemen. Beispiele hierfür sind die thermisch-mechanische
Belastung der Kollektoren und die Zerstörung des Glycol-WasserGemisches in relativ kurzer Zeit.
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Verschiedene Hersteller gehen zu weitgehend vorgefertigten Wärmeversorgungssystemen über. Das bringt den Vorteil mit sich, dass vor allem
Probleme in der Bauphase unterdrückt werden. Aber auch die Tendenz
weg von Einzellösungen – die Komplexität sollte nicht unterschätzt
werden – hin zu universellen und anpassbaren Standardsystemen ist eine
positive Entwicklung in diesem Bereich.
Kompaktgerät mit Wärmepumpe für Passivhäuser mit
Lüftungsanlage der Firma Viessmann
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SolvisMax (Produkt der Solvis Energiesysteme
GmbH & Co KG) Schichtenlade-Speicher mit
innenliegendem Heizkessel und kompletter
Peripherie zum Anschluss von Solar-,
Trinkwasser- und Heizungskreis
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Konfigurationen von Solar-Wärmepumpensystemen
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Konfigurationen von Solar-Wärmepumpensystemen
Großanlagen
Großanlagen sind keine vergrößerten Kleinanlagen. Trotz einiger gleicher
Bauteile unterscheiden sich Großanlagen (z.B. sog. Vorwärmanlagen mit
einer Kollektorfläche größer 100 m² für die Trinkwassererwärmung) oder
solare Nahwärmesysteme wesentlich von den Kleinanlagen.
Erste solare Nahwärmesysteme wurden in den letzten Jahren entwickelt
und umgesetzt. Die Untersuchung und Weiterentwicklung dauert an.
Diese Projekte zeigen aber schon jetzt, dass auch die großen solaren
Systeme eine effiziente Technik sind. Die Planung bzw. die Integration
derartiger Systeme ist daher besonders wichtig. Solare Nahwärmesysteme werden in absehbarer Zeit spezielle Lösungen bleiben, da
Anpassungen vor allem an die baulichen Randbedingungen notwendig
sind. Es existieren aber bereits viele technische Standard-Lösungen im
Bereich von Funktionsgruppen (z.B. Kollektorkreis).
Im Unterschied zu herkömmlichen Wärmeversorgungssystemen
müssen sehr viele grundlegende Fragen in den ersten Planungsphasen
geklärt werden. Die Durchführung von separaten Vorstudien hat sich
dabei als sinnvoll und praktikabel erwiesen.
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Schema eines solar unterstützten
Nahwärmesystems mit dezentralen
Übergabestationen und saisonalem
Speicher
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Aufbau einer Großanlage zur solaren TrinkwasserErwärmung
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Parameter für ein solares Nahwärmesystem
Position
Angabe
Kollektorfläche
2.000 m²
Kollektortyp
Flachkollektor a 7,5 m²
Saisonaler Speicher, Kapazität
Kies-Wasser-Speicher, 8.000 m³
Temperaturbereich
ca. 30 bis 85 °C
Maximale Heizlast nach DIN 12831
425 kW
Heizmitteltemperaturen
70°/40 °C
Raumheizkörper
Radiatoren
Trinkwasser-Erwärmung
Dezentrales Speicherladesystem
Zapfmenge Trinkwasser
3.702 m³/a
Konventionelle Nachheizung
Gasheizkessel
Solarer Deckungsanteil
42 %
Kollektornutzungsgrad
34 %
Speichernutzungsgrad
71 %
Systemnutzungsgrad
23 %
Realisierte solare Nahwärmesysteme mit saisonalem Speicher
Standort
Kollektorfläche u. -typ
Speicherkapazität bzw. Verbraucher
Volumen
Hamburg
3.000 m², FK
4.500 m³
Heißwasser-Speicher
124 EinfamilienReihenhäuser
Friedrichshafen
5.300 m², FK
12.000 m³
Heißwasser-Speicher
570 WE
Neckarsulm II 5.600 m², FK
1. u. 2. BA
63.000 m²
Erdsonden-Speicher
6 MFH, Schule
2 Altenwohnh.
Ladenzentrum
Chemnitz
1. BA
540 m², VRK
8.000 m³
Kies-Wasser-Speicher
1 Bürogebäude
Steinfurt
510 m², FK
1.500 m³
Kies-Wasser-Speicher
42 WE
Rostock
1.000 m², FK
20.000 m³
Aquiferspeicher
108 WE
Hannover
1.350 m³, FK
2.750 m³
Heißwasser-Speicher
106 WE
TWE
RH
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
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Allgemeine Planungshinweise für solargestützte
Heizungssysteme*)
Pos. Anlagenkomponenten
Allgemeine Planungshinweise
Die Größe der Kollektorfelder muss unabhängig von der Hydraulik
bestimmt werden. Basis bilden die Wärmebedarfsdaten für
Heizung und Warmwasserbereitung. Bei Vorhandensein eines
Swimming-Pools sind die Bedarfswerte dafür gesondert zu
ermittelln .
1
Kollektoren
2
Am höchsten Punkt der Anlage muss ein Ganzmetall-Entlüfter
vorgesehen werden, wenn die Anlage nicht mit „Befüllstation und
Rohrleitungen mit Luftabscheider“ entlüftet oder die Solarstation eingesetzt wird.
Bei jedem Richtungswechsel
Steigung
nach unten mit erneuter Steigung kann ebenfalls ein Entlüfter
zum Entlüfter
eingeplant werden. Eine 2-Strang-Solarstation ist meist mit einem
Luftabscheider ausgestattet.
*)
Empfehlungen in Anlehnung an Buderus-Hinweise
Pos. Anlagenkomponenten
3
4
Allgemeine Planungshinweise
Solarstation
Die Solarstation enthält alle wichtigen Hydraulik- und Regelungskomponenten für den Solarkreis. Sie sollte generell unterhalb des
Kollektorfeldes montiert werden. Ist dies (z. B. bei Dachheizzentralen) nicht möglich, muss das Vorlaufrohr erst bis auf Höhe des
Rücklaufanschlusses verlegt werden, bevor sie zur Solarstation
geführt wird.
Die Auswahl der Solarstation richtet sich nach der Anzahl der
Verbraucher, der Anzahl und Verschaltung der Kollektoren sowie
dem Druckverlust des Solarkreises.
In Verbindung mit Vakuumröhrenkollektoren müssen die Rohrleitungen für Vor- und Rücklauf zwischen Kollektorfeld und Solarstation mindestens 10 m lang sein.
Zwischen Solarstation und Unterkante Kollektorfeld ist eine
Ausdehnungsgefäss
Das Ausdehnungsgefäß ist in Abhängigkeit vom Anlagenvolumen
und dem Ansprechdruck des Sicherheitsventils separat auszulegen,
damit es die Volumenänderungen in der Anlage aufnehmen kann.
Bei Ost/West-Anlagen ist für das zweite Kollektorfeld ein
zusätzliches Ausdehnungsgefäß erforderlich. Bei Verwendung von
Vakuumröhrenkollektoren sollte das Ausdehnungsgefäß 20–30 cm
oberhalb der Solarstation eingebunden werden. Zusätzlich sollte ein
Vorschaltgefäß vorgesehen werden.
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Pos.
Anlagenkomponenten
Allgemeine Planungshinweise
Speicher
Die Größe der Speicher muss unabhängig von der Hydraulik
bestimmt werden.
Warmwassermischer
Einen sicheren Schutz vor Warmwasser-Übertemperaturen
(Verbrühungsgefahr!) bietet ein thermostatischer Warmwassermischer (WWM). Um eine Schwerkraftzirkulation zu vermeiden,
ist der thermostatische Warmwassermischer unterhalb des
Warmwasseraustritts des Speichers einzubauen. Ist dies nicht
möglich, sollte eine Wärmedämmschleife oder ein Rückflussverhinderer vorgesehen werden.
7
Warmwasserzirkulation
Durch die Installation von Warmwasser-Zirkulationsleitungen
erhöhen sich die Bereitschaftswärmeverluste. Sie sollte deshalb
nur in weitverzweigten Trinkwassernetzen angewendet werden.
Eine falsche Auslegung der Zirkulationsleitung und der Zirkulationspumpe kann den Solarertrag stark mindern.
8
Konventionelle
Nachheizung
(Kesselregelung)
Die hydraulische Einbindung des Wärmeerzeugers und die
einsetzbaren Solarregler sind abhängig vom Kesseltyp und der
eingesetzten Regelung. Bei Anlagen zur Heizungsunterstützung
muss für wandhängende Heizkessel ein angepasstes Regelsystem verwendet werden.
5
6
Pos. Anlagenkomponenten
Allgemeine Planungshinweise
Heizungspuffer
Dem Pufferteil für die Raumheizung im Kombi- oder
Pufferspeicher sollte nur Wärme von der Solaranlage und –
wenn vorhanden – von anderen regenerativen Energiequellen
zugeführt werden. Wenn der Pufferbereich des Solarspeichers
durch einen konventionellen
Kessel erwärmt wird, ist dieser Teil für die Energieaufnahme
durch die Solaranlage blockiert.
10
Auslegung und
Einregulierung der
Heizflächen
Bei der Einbindung der Raumheizung sind die Heizkörper
grundsätzlich so auszulegen, dass eine möglichst niedrige
Rücklauftemperatur erreicht wird. Besonderes Augenmerk gilt
neben der Dimensionierung der Heizflächen auch ihrer
vorschriftsmäßigen Einregulierung. Je niedriger die
Rücklauftemperatur gewählt werden kann, desto höher sind die
zu erwartenden solaren Erträge. Wichtig ist hierbei, dass alle
Heizflächen nach den geltenden Vorschriften (VOB Teil C: DIN
18380) einreguliert werden. Ein einziger falsch einregulierter
Heizkörper kann den solaren Ertrag für die Raumheizung
erheblich verringern.
11
Regelung der
Heizkreise
Die Einsatzmöglichkeit der Regelung muss hinsichtlich der
Anzahl der Heizkreise geprüft werden.
9
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Pos. Anlagenkomponenten
12
Puffer-BypassSchaltung
und
Rücklaufwächter
Allgemeine Planungshinweise
Die Einbindung der Solarwärme zur Unterstützung der
Raumheizung erfolgt über eine
Puffer-Bypass-Schaltung. Bei hohen Rücklauftemperaturen des
Heizkreises wird mit
einem Umschaltventil verhindert, dass der Solarspeicher über
den Heizungsrücklauf
erwärmt wird.
Gelegentliche Beheizung
Wenn ein Heizkessel nur gelegentlich betrieben wird, lässt sich
die erzeugte Wärme sofort in den solaren Heizungspufferspeicher oder Kombispeicher einspeisen. In diesem Zeitraum ist
der Solarertrag jedoch eingeschränkt.
13
Heizkessel
Permanente Beheizung
Soll ein Heizkessel permanent zur Raumheizung genutzt
werden, ist in der Übergangszeit aufgrund der höheren
Temperaturen im Pufferteil mit einer Minderung des
Solarertrags zu rechnen.
3. Solare Kühlung und Klimatisierung
3.1 Einleitung
Grundsätzlich bestehen Kühllasten aus zwei Anteilen: den sensiblen Kühllasten, die einen Einfluss auf die Raumtemperatur haben und die latenten
Kühllasten, die die Raumluftfeuchte beeinflussen.
Da die Kühlung energetisch aufwendig und kostenintensiv ist, sollte die
Kühllast in jedem Fall reduziert werden. Betrachtet man die äußeren
Lasten, ist ein sommerlicher Wärmeschutz vorzusehen:
►
Reduzierung der transparenten Flächen in sonnenintensiven
Richtungen
►
Anbau von Verschattungseinrichtungen
►
Beschichtung der Außenflächen mit ir-reflektierende Coatings
(ThermoShield, MIG-ESP, Supertherm u.a.)
Hinsichtlich der inneren Lasten ist z. B. der Einsatz von Geräten mit
geringem Strombedarf sinnvoll.
28
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Kältebedarf in Deutschland
In der Bundesrepublik Deutschland werden ca. 79 000 GWh/a für die
technische Kälteerzeugung benötigt. Die Klimatisierung nimmt einen
Anteil von ca. 26 % der gesamten Kältebereitstellung ein, d. h. ca. 21 000
GWh/a.
Ca. 15 % des Stromverbrauchs (90 000 GWh/a) werden die für technische Kältebereitstellung in Deutschland benötigt.
 Gewerbe mit 50 000 GWh/a (30 000 000 t/a CO2-Emissionen)
 Haushalte mit 25 000 GWh/a (15 000 000 t/a CO2-Emissionen).
Für einen steigenden Bedarf an Kühlenergie im Bereich der Gebäude
sind folgende Tendenzen verantwortlich:
 architektonische Gestaltung der Gebäudehülle mit hohen Anteilen
transparenter Bauteile (dadurch Zunahme der äußeren Lasten)
 Anstieg der inneren Lasten durch technische Ausrüstung, z. B.
Personal-Computer,
 zunehmende Komfortansprüche,
 längere Betriebszeiten (z. B. Ladenöffnungszeiten).
Verteilung des Nutzkältebedarfs
29
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3.2
Verfahren zur Kältebereitstellung und Klimatisierung
Im Bereich der Komfortklimatisierung sind neben Verfahren der Kälteerzeugung auch Verfahren möglich, die eine direkte Konditionierung der
Zuluft ermöglichen und ohne Kaltwassererzeuger auskommen.
 Einsatz von Maschinen oder offenen thermodynamischen Verfahren
(Nutzung verschiedener physikalischer und chemischer Effekte)
 Nutzung von Umweltwärmesenken (Erdreich, Außenluft,
Wärmeabstrahlung an den Himmel, Verdunstung von Wasser usw.).
Nahezu alle Effekte in diesem Bereich nutzen periodische Vorgänge in
der Natur. Hier sind grundsätzlich unterschiedliche Zeitskalen möglich:
 Nacht, tageszeitlich,
 Winter und Übergangszeiten, jahreszeitlich,
 durch das Klima beladene natürliche Speichermassen (z. B. Eis
der Polarkappen, Oberflächengewässer, Wasser aus unterirdischen Quellen)

Die Aktivierung von Umweltwärmequellen wird zunehmend
insbesondere in neu errichteten Nicht-Wohngebäuden (z. B.
Bürogebäuden) genutzt.

Die Luftkühlung im Erdreich gehört hierzu ebenso wie die
Verwendung des Erdreichs als Wärmesenke zur Kühlung von
thermisch aktivierten Bauteilen.

In der Übergangszeit wird vielfach freie Kühlung eingesetzt; dabei
wird ein Rückkühlwerk direkt zur Bereitstellung von Kälte
ausreichend niedriger Temperatur betrieben.

Dennoch stellt die maschinelle Bereitstellung von Kälte zurzeit nach
wie vor die wichtigste und am weitesten verbreitete Methode dar, die
im Übrigen auch in Kombination mit Verfahren, die
Umweltwärmesenken nutzen, eingesetzt werden kann.
30
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Verfahren der maschinellen Kühlung:
 Kaltdampf-Maschinen, mechanische Kompression mit folgenden
Verdichtern (Kolben-, Schrauben-, Scroll-, Turboverdichter),
 Sorptionsprozesse (Absorption, Adsorption),
 Dampfstrahl-Prozess,
 Verdunstungskühlung (z. B. mit offenen Kühltürmen),
 Sonderverfahren,

Kaltgas-Maschinen (z. B. Stirling-Prozess, PhilipsGaskältemaschine),

Apparate zur Verflüssigung von Gasen (z. B. Linde-Verfahren),

thermoelektrische Verfahren (z. B. Peltier-Effekt),

magnetokalorische Verfahren.
Vergleich zum Antrieb von Kältemaschinen
31
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Beide Verfahren arbeiten umso effizienter, je geringer der Exergiegehalt
der Nutzkälte ist. Dies erreicht man über möglichst hohe Temperaturen
auf der Kälteseite (z. B. Vorlauftemperatur des Kältenetzes) und über
möglichst niedrige Temperaturen auf der Seite der Rückkühlung, also
möglichst niedrige Temperaturen der abgeführten Wärme z. B. im
Kühlkreis.
Energie, Exergie und Anergie
Exergie ist derjenige Anteil der Energie, der Arbeit verrichten kann. Unter
Anergie versteht man den komplementären Anteil. Elektroenergie kann
nahezu vollständig in Bewegungsenergie umgesetzt werden, der
Exergieanteil beträgt somit 100 %. Hingegen besteht die innere Energie
eines heißen Körpers aus einem Teil Exergie und einem Teil Anergie.
Der Exergiegehalt definiert sich im Bezug zu den Vergleichsgrößen der
Umgebung.
3.3
Wärmequellen für thermisch angetriebene Kältemaschinen
Zum Antrieb von Sorptions- und Dampfstrahlkältemaschinen wird Wärme,
wenn möglich mit hoher Temperatur, benötigt. Diese ist oftmals im Sommer
im Überschuss vorhanden, genau dann, wenn die Kühllasten besonders
hoch sind. Im Wesentlichen gibt es zwei Wärmequellen:
 die Abwärme bei der gekoppelten Erzeugung von Elektroenergie und
Wärme, die sog. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
 die solare Einstrahlung.
Bei der Kraft-Wärme-Kopplung können folgende Arbeitsmaschinen
eingesetzt werden:
Wasserdampfturbinen
Gasmotoren,
Turbinen für den Organic-RankineCycle (ORC),
Motoren für flüssige Brennstoffe,
Turbinen für den Kalina-Cycle,
Standard-Gasturbinen,
Stirlingmotoren,
Mikroturbinen
Dampfmotoren,
Brennstoffzellen
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Einfacher Dampfkraftprozess mit Vorwärmung durch Anzapfdampf
nach WOUDSTRA & VERSCHOOR (1998)
Gasturbinen Prozess nach Woudstra & Verschoor (1998)
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Schaltbild einer ORC-Anlage nach HAMMER & RÖMHELD (1981)
Kalina-Kreislauf KCS 34 nach LEIBOWITZ & MICAK (1999)
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Auf dem Markt sind KWK-Techniken

mit unterschiedlichen Wirkungsgraden, Leistungsbereichen bzw.
Systemgrößen (Klein-BHKW bis Großkraftwerk)

Techniken für verschiedenste Brennstoffe (z. B. Erdgas, Bioöl, Biogas,
Faulgas, Deponiegas usw.)

für die Erzeugung von Abwärme auf verschiedenen
Temperaturniveaus.
Während Energie zur Gebäudeklimatisierung bereitgestellt werden muss,
ist zugleich ein Wärmeüberschuss bei der Elektroenergieerzeugung mit
Kraft-Wärme-Kopplung vorhanden.
Für die solarthermische Wärmegewinnung sind die Strahlungsverhältnisse
an der Erdoberfläche ausschlaggebend. Die Globalstrahlung liegt im
Langzeitmittel für Deutschland zwischen 940 und 1 220 kWh pro Quadratmeter und Jahr. Diese jährliche Globalstrahlung besteht zu ca. 50 % aus
direkter und ca. 50 % aus diffuser Einstrahlung. .
Trotz des zeitlich schwankenden Energieangebotes ist die solarthermische
Energiegewinnung zur Kühlung eine gute Alternative, da zunächst ein ausreichend hohes Energieangebot mit hohen Leistungsdichten vorhanden ist.
Besonders förderlich wirkt sich weiterhin die Korrelation zwischen solarer
Einstrahlung (eine wesentliche Ursache der Kühllast) und der Kältelast in
Versorgungssystemen aus. Die Spitzenlast ist in der Regel nur um wenige
Stunden verzögert zur maximalen Einstrahlung. Mittels Kurzzeitspeicher
kann die Lastverschiebung ausgeglichen werden.
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Prozessschritte bei der KWK
Übersicht über BHKW-Bauarten und ihre wesentlichen technischen
Merkmale
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Wärme aus solarthermischen Anlagen
Die wesentliche zusätzliche Komponente bei solar angetriebenen
Kühlanlagen ist die Kollektoranlage, bestehend aus dem Kollektorfeld, der
Verrohrung, der Pumpengruppe, der Regelung und der Wärmeübergabe
an den Speicher bzw. den Heizverteiler.
Solarkollektoren
Für die Realisierung einer solarthermischen Klimatisierung existiert ein
breites Angebot unterschiedlicher Kollektortypen. Die sorgfältige Auswahl
des Kollektors in der Planungsphase ist von grundlegender Bedeutung für
die Erreichung der primärenergetischen Einsparziele.
Solarluftkollektoren: Diese Kollektoren werden direkt von Luft
durchströmt, sie gewährleisten damit ohne weitere Maßnahmen einen
frostsicheren Betrieb. Sie können in Verfahren der solaren Klimatisierung
eingesetzt werden, die mit niedrigen Antriebstemperaturen arbeiten, so
etwa in der offenen sorptionsgestützten Klimatisierung. Der Verzicht auf
eine Zwischenspeicherung solarer Wärme ist bei dieser Technologie
sinnvoll. Daher können die Kollektoren insbesondere dort eingesetzt
werden, wo eine ausschließlich solarthermische Deckung der
Antriebswärme des Klimatisierungsprozesses möglich ist.
Flachkollektoren: Hierbei handelt es sich um Kollektoren mit flüssigem
Wärmeträger (Wasser oder Wasser-Glykol). Für die solare Klimatisierung
sind im Allgemeinen nur hochwertige Kollektoren von Interesse. Diese
weisen neben einer mit selektiver Beschichtung der Absorber, oftmals
weitere Merkmale zur Verringerung von Wärmeverlusten auf (stärkere
Isolierung, zusätzliche Teflon-Folie oder Doppelverglasung mit Antireflexbeschichtung), und lassen daher akzeptable Nutzungsgrade im Temperaturbereich von thermisch angetriebenen einstufigen Kältemaschinen
erwarten. Eine besondere Bauform sind konstruktiv als Flachkollektoren
ausgeführte CPCs (CPC = compound parabolic collector), die eine besonere Spiegelform zur schwachen Strahlungs-Konzentration unterhalb des
Absorbers enthalten.
Vakuumröhrenkollektoren: Hier existiert eine Vielzahl unterschiedlicher
Modelle, die sich stark im konstruktiven Aufbau und im Prinzip der Wärmeabfuhr (direkt durchströmt oder heatpipe-Prinzip) unterscheiden. Im
Allgemeinen erlauben sie gute Kollektornutzungsgrade bei einstufigen
Absorptionskältemaschinen; sehr hocheffiziente Typen sind unter
Umständen auch noch in Kombination mit zweistufigen Kältemaschinen
einsetzbar.
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Nachgeführte konzentrierende Kollektoren: In sonnenreichen Gebieten
(typischerweise ab ca. 1 800 kWh pro m² und Jahr) können einachsig
nachgeführte Parabolrinnenkollektoren Prozesswärme von 400 °C und
darüber für die Stromerzeugung bereitstellen. Anwendungen im niedrigeren Temperaturbereich zum Antrieb zweistufiger Absorptionskältemaschinen sind ebenfalls möglich und bereits zur Ausführung gelangt. Diese
Systeme erfordern einen hohen Anteil direkter Strahlung an der Globalstrahlung. Sie sind deshalb für mitteleuropäische Anwendungen weniger
geeignet. Für die solare Klimatisierung sind insbesondere konzentrierende
Systeme mit niedrigeren spezifischen Investitionskosten aussichtsreich, die
für Betriebstemperaturen im Bereich bis ca. 200 °C ausgelegt sind.
Beispiele sind speziell für Prozesswärme oder Kälteanwendungen
ausgelegte Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren.
Typischer Verlauf von Wirkungsgradkurven für drei unterschiedliche
stationäre Kollektortypen
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3.4
Technologien zur thermisch angetriebenen Kälteerzeugung und
Klimatisierung
Physikalisch gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Umwandlung von
Wärme in Kälte. Ein Großteil der Verfahren basiert auf dem Phänomen der
Sorption, d. h. der reversiblen Anlagerung eines Arbeitsstoffes an einem
Sorptionsmittel. Je nachdem ob diese Anlagerung ein Oberflächeneffekt
oder ein Volumeneffekt ist, spricht man von Adsorption (Oberfläche) oder
Absorption (Volumen). Während die Adsorption grundsätzlich an Oberflächen von Festkörperstrukturen erfolgt, kann die Absorption sowohl in
Festkörpern als auch in Flüssigkeiten stattfinden. Neben dem Phasenzustand des Sorptionsmittels – flüssig oder fest – spielt die Verfahrensgestaltung eine wesentliche Rolle. Es sind geschlossene thermodynamische Prozesse und sogenannte offene Sorptionsprozesse möglich. Bei
letzteren ist der Arbeitsstoff grundsätzlich Wasser bzw. Wasserdampf der in
direktem Kontakt mit der Atmosphäre steht – deshalb die Bezeichnung als
offenes Sorptionsverfahren. Neben den Sorptionsverfahren sind auch
unterschiedliche thermo-mechanische Prozesse möglich. Dabei wird
zunächst Wärme in mechanische Energie umgewandelt die dann in einem
Wärmepumpenprozess genutzt wird.
Dies kann in zwei getrennten Geräten passieren, wie bei einem RankineProzess, der einen Kompressionsverdichter antreibt oder integriert wie
beim Vuilleumier-Prozess oder der Dampfstrahlkältemaschine. Die
Dampfstrahlkältemaschine unterscheidet sich von allen anderen thermomechanischen Verfahren dadurch, dass keinerlei rotierende Teile enthalten
sind.
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Übersicht über physikalische Möglichkeiten der Umwandlung von
Wärme in Kälte bzw. konditionierte Luft bei den offenen Verfahren
blau: etablierte Techniken
rot: Prototypanlagen in Betrieb
grün: in Entwicklung
Entscheidungsschema zur Systemauswahl
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Kenndaten von thermisch angetriebenen Kältemaschinen
Coefficient of Performance
Einstufige Absorptionskältemaschine mit dem
Kältemittel LiBr-H2O
COP
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Adsorptionskältemaschinen
Adsorptionskältemaschinen waren lange Zeit nur von wenigen Herstellern
aus Asien kommerziell erhältlich; seit einigen Jahren gibt es auch Produkte von Herstellern in Deutschland, speziell für den kleinen Leistungsbereich. Das Hauptanwendungsgebiet ist mit demjenigen von Absorptionsanlagen identisch.
Adsorption ist die reversible Anlagerung von Gasmolekülen in den Poren
eines hochporösen Adsorptionsmittels wie z. B. Silicagel. Bei Adsorptionskältemaschinen wird der im Verdampfer erzeugte Dampf des Kältemittels in derartigen Adsorptionsmitteln angelagert. Um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten, sind deshalb – außer dem Verdampfer
und dem Kondensator – mindestens zwei getrennte Kammern mit
Adsorptionsmittel erforderlich. Jede der gleichartigen Kammern enthält
Sorptionsmittel, das in einen Wärmeübertrager eingelagert ist. Während
die eine Kammer den im Verdampfer erzeugten Kältemitteldampf adsorbiert und somit den Kälteprozess aufrecht erhält, wird die andere Kammer
regeneriert.
Dazu wird sie von einem heißem Wärmeträger, z. B. Wasser, das durch
eine Solaranlage erhitzt wurde, durchströmt. Der Kältemitteldampf wird
ausgetrieben und kondensiert im Kondensator. Sowohl zur Kühlung des
Kondensators als auch zur Abfuhr der Adsorptionswärme, die während der
Adsorption frei wird, ist ein Kühlkreis notwendig. Nach einer bestimmten
Zeit kommt die Adsorption zum Erliegen. Die Funktion der Kammern wird
gewechselt, wobei man eine kurze Phase zur Wärmerückgewinnung
zwischenschaltet. Die Adsorptionstechnik hat einige wesentliche Eigenschaften, die sie für thermisch angetriebene Kälteerzeugung interessant
machen. So werden keinerlei bewegte Teile im Vakuumbereich benötigt.
Außerdem gibt es keine Möglichkeit der Kristallisation wie bei Absorptionsanlagen, so dass keine Einschränkungen hinsichtlich der Kühlwassertemperatur bestehen. Verbesserungen in der Wärmetauschergestaltung, neue Materialien sowie neue Verfahren der Behältertechnik versprechen für die Zukunft deutlich höhere Leistungsdichten, sowohl
massenbezogen als auch volumenbezogen.
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08.06.2015
Funktionsprinzip von Adsorptionskältemaschinen
Bei der Adsorption handelt es sich wie bei der Absorption um ein Zweistoffsystem. Dabei ist ein Stoff – das Adsorbens oder Adsorptionsmittel –
ein Feststoff, das Adsorptiv oder Kältemittel eine Flüssigkeit bzw. ein Gas.
Unter Adsorption versteht man eine physikalische Bindung der Adsorptivmoleküle mittels Van-der-Waals-Kräfte an der Adsorbensoberfläche. Als
Adsorbens kommen hochporöse technische Adsorbentien zum Einsatz.
Diese Adsorbentien besitzen eine sehr hohe Affinität zum Kältemittel.
Durch die hohe Porosität der technischen Adsorbentien (mehrere hundert
Quadratmeter innere Oberfläche pro Gramm Adsorbens) kann eine
signifikante Menge Kältemittel adsorbiert werden.
Aufbau einer Adsorptionskältemaschinen
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Die vier Phasen eines Adsorptionskältemaschinenzyklus
Der Betrieb der Maschine läuft in vier Phasen ab:
1. In der ersten Phase ist die linke Kammer an die Antriebswärmequelle
angeschlossen und wird desorbiert, das desorbierte Kältemittel strömt in
den Kondensator und kondensiert. Gleichzeitig befindet sich der rechte
Adsorber in der Adsorptionsphase: Kältemitteldampf verdampft im Verdampfer unter Wärmeaufnahme aus dem Kaltwassernetz und wird im
Adsorber adsorbiert. Der Kondensator und der rechte Adsorber sind zur
Wärmeabgabe an die Rückkühlung angeschlossen, der Verdampfer an das
Kaltwassernetz. Phase 1 ist abgeschlossen sobald die Adsorptionskapazität
im rechten Adsorber bei den gegebenen Temperaturbedingungen erschöpft
ist.
2. Phase 2 dient der Wärmerückgewinnung: Wärme aus der heißen und
desorbierten Kammer wird in den beladenen und kalten Adsorber gespeist.
Somit wird die heiße Kammer vorgekühlt und die kalte Kammer zur
Vorbereitung auf die Desorption vorgewärmt.
3. Phase 3 ist identisch mit Phase 1, nur sind die Funktionen der beiden
Adsorber vertauscht: die linke Kammer adsorbiert, der rechte wird
desorbiert.
4. Phase 4 ist wieder eine Wärmerückgewinnungsphase wie Phase 2 nur in
umgekehrte Richtung.
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Die vier Phasen eines Adsorptionskältemaschinenzyklus
Verfahren der sorptionsgestützten Klimatisierung
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Quellenangaben
Hans-Martin Henning, Thorsten Urbaneck u. a.
Kühlen und Klimatisieren mit Wärme
2., erweiterte und vollständig überarbeitete Auflage
Frauenhofer-IRB-Verlag, BINE-Fachbuch
Solare Grußanlagen –
Planungsunterlage 2011/08
Buderus
Edo Wiemken, Alexander Morgenstern , Matthias Schicktanz,
Björn Nienborg
Planungsleitfaden Solare Kühlung
SOLARTHERMIE 2000plus
Solarthermische Anlagen zur Raumkühlung in Einzelgebäuden bzw.
Gebäudegruppen
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Version 1.2 (18. September 2013)
Verfahren mit Sorptionsrotoren
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