TGA Energietechnik

TGA Ausgabe 04-2009
Absorptionskältemaschine

Mit Sonnenwärme kühlen

Abb. 1
Bei seinem neuen Technologie- und Logistikzentrum in Eggenfelden setzt Hawi Energietechnik beim Energiekonzept u.a. auf die solar unterstützte Kälteerzeugung mittels einer Absorptionskältemaschine.

Über Ab- und Adsorptionstechnik kann mit Wärme Kaltwasser auf einem für klimatechnische Anwendungen typischen Niveau bereitgestellt werden. Häufig werden dazu Absorptionskältemaschinen auf der Basis des in Wasser gelösten Absorptionsmittels Lithiumbromid und des Kältemittels Wasser eingesetzt.

Optisch wird das neu errichtete Technologie- und Logistikzentrum von Hawi Energietechnik, Eggenfelden, durch seine Stahl- und Glasarchitektur sowie die fassadenintegrierten Photovoltaik-Module dominiert, die gleichzeitig Geschäftsdynamik und die Ursprünge des Unternehmens repräsentieren. Die Y-förmige Firmenzentrale besteht aus 5000 m2 Logistikfläche und ebenfalls 5000 m2 umfassenden Nutzungsbereichen, in denen die Büro-, Schulungs- und Ausstellungsräume integriert sind.

Bei der Anlagentechnik stand die effiziente Nutzung regenerativer Energien im Fokus, wobei zur Systemfindung der Energieversorgung der Solaren Kühlung eine zentrale Rolle zukam. Nicht ohne (zweiten) Grund: Hawi plant, sein Portfolio um einen Geschäftsbereich für Systemanlagen zur Solaren Kühlung zu erweitern.

Gebäudetechnik

Das Energiekonzept zur autarken Energieversorgung setzt auf

einen Hackschnitzel-Wärmeerzeuger und ein Blockheizkraftwerk

Solarthermie und solare Kühlung sowie

Photovoltaik

Der Biomasse-Wärmeerzeuger wird mit Holz-Hackschnitzeln (G30-Hackgut) betrieben und stellt eine Heizleistung von max. 270 kWth zur Verfügung. Das Erdgas-BHKW deckt kontinuierlich einen Strombedarf mit über 50 kWel. Die 396 fassadenintegrierten Solarmodule kommen auf eine Leistung von ca. 30 kWp. Die 200-m2-Solarthermie-Aufdachanlage wird zur anteiligen Deckung des Raumwärmebedarfs und zur Trinkwassererwärmung genutzt. Zusätzlich wird damit eine Absorptionskältemaschine beheizt, die mit der rege­nerativen Antriebsenergie das Kaltwasser zur Raumklimatisierung auf 9 °C herunterkühlt. Die Absorptionskältemaschine wird mit dem Kältemittel Wasser und dem Arbeitsmittel Lithiumbromid betrieben.

Ab- und Adsorptionstechnik

Als geschlossene Systeme zur Kaltwassererzeugung aus Niedertemperaturwärme stehen Ab- und Adsorptionskältemaschinen zur Verfügung. In Europa wurden bisher in rund 60 % der Fälle Absorptionskältemaschinen und in ca. 11 % Adsorptionskältemaschinen eingesetzt. Obwohl technisch mehrere Stoffpaare eingesetzt werden könn(t)en, wird in der Klimatechnik primär das hygroskopische und nahezu ungiftige, nicht brennbare, ­geruchslose und ökologisch problemlose Absorp­tionsmittel Lithiumbromid (LiBr) verwendet.

Der Lösungsmittelkreislauf besteht aus Ab­sorber, Austreiber und Lösungsmittelpumpe. Die thermische Kompression einer Absorptionskälteanlage beruht auf der Siedepunkterhöhung des Arbeitsmittelgemischs gegenüber dem reinen ­Kältemittel. Sie entspricht der Erhöhung der Gleichgewichtstemperatur des kältemittelbeladenen festen Sorbens im Vergleich zur Siedetemperatur des reinen Kältemittels bei einem Adsorptionsprozess.

In beiden Prozessen sind diese physikalischen Eigenschaften der verwendeten Sorptionsmittel ausschlaggebend zur Eignung für einen Niedertemperatur-Sorptionskreislauf. Für einen bestimmten Einsatzfall, d.h. vorgegebene Kalt- und Kühlwassertemperaturen, ergibt sich die Prozesstemperatur im Austreiber (Generator) des Sorptionskreislaufes aus den Gleichgewichtsdaten des verwendeten Sorptionsmittels. Diese interne Prozesstemperatur sowie die Temperaturdifferenz für die Wärmeübertragung auf den internen Prozess sind für die erforderliche Temperatur zum Antrieb des Sorptionskreislaufes ausschlaggebend.

Die Güte der Sorptionskreisläufe wird maßgeblich durch den Verlustwärmestrom im thermischen Kompressor vom Austreiber zum Ab- bzw. Adsorber bestimmt. Bei Absorptionskreisläufen beruht dieser auf der unvollständigen Wärmeübertragung zwischen der kältemittelarmen und kältemittelreichen Lösung im Lösungskreislauf.

Eine thermisch angetriebene Kältemaschine ist durch drei Temperaturniveaus charakterisiert, ein

hohes Temperaturniveau, auf dem die Antriebswärme (Heizwasser) bereitgestellt wird, ein

niedriges Temperaturniveau, auf dem die Nutzkälte (Kaltwasser) generiert wird und ein

mittleres Temperaturniveau, auf dem die Wärme (an die Umgebung) abgeführt wird (Kühlwasser).

Um das Kältemittel aus der Lösung zu verdampfen, kann abhängig vom Verfahren, Maschinentyp sowie der Kaltwassertemperatur bei typischen Klimakälteanwendungen Ab- oder Solar-wärme auf einem Temperaturniveau zwischen 60 und 100 °C zum Antrieb verwendet werden. Ab ca. 80 °C werden in der Regel Vakuum-Röhrenkollektoren erforderlich. Zur Dimensionierung für thermisch angetriebene Absorptionskältemaschinen kann als Anhaltspunkt ein Wert von 3 bis 3,5 m2/kWKälte zugrunde gelegt werden.

Welcher Kollektor?

Die Solar-Kühlsysteme haben in den letzten Jahren auch von der Weiterentwicklung der solarthermischen Kollektoren profitiert. Denn hier sind insbesondere Solarthermiekollektoren von Interesse, die eine hohe Energieeffizienz auch oberhalb von 80 °C Betriebstemperatur aufweisen. Zum Antrieb von Absorptionskältemaschinen ­haben sich Hochleistungskollektoren, wie selektiv beschichtete Flachkollektoren mit Doppelver­glasung und optimierter Außenisolation sowie ­Vakuumröhrenkollektoren (CPC-Kollektoren) bzw. konzentrierende Kollektorsysteme (Parabol- oder Fresnel-Kollektoren) bewährt.

Die bisher am häufigsten verwendeten Absorptionskältemaschinen benötigen eine Antriebstemperatur von rund 75 bis 80 °C, besser sind ­allerdings 90 bis 95 °C. Diese Temperaturen schaffen Flachkollektor gerade noch bei einer maxi­malen Einstrahlung. Bei 600 W/m2 Einstrahlung sind nur deutlich geringere Vorlauftemperaturen möglich. Das führt dazu, dass immer öfter Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt werden, um die Absorptionskältemaschine kleiner dimensionieren und mit einem guten Wirkungsgrad betreiben zu können.

Trend zur Standardisierung

Bei der solaren Kälteerzeugung ist zunehmend ein Trend zu Ab- und Adsorptionskältemaschinen im kleineren Leistungssektor zwischen 3,5 bis 25 kW als Standardisierung und Komplettlösungen aus Absorbermaschine, Solarthermieanlage, Pufferspeicher etc. zu verzeichnen. Dieses hat den Vorteil, dass die einzelnen Komponenten vor allem hinsichtlich der hydraulischen Einbindung und Sicherheitstechnik optimal in die Integration des Gesamtsystems passen. Bei sämtlichen Kompakteinheiten stellt die Regelungstechnik den besonderen Aspekt dar, denn durch eine mangelhafte Regelungsstrategie kann der Jahreswirkungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit erheblich reduziert werden.

Wirtschaftlichkeit

Um Nutzkälte mittels Solarwärme und Absorptionskältemaschine wirtschaftlich bereitzustellen, müssen besondere Voraussetzungen existieren, die Anlagen exakt dimensioniert, im Betrieb überwacht und von Spezialisten errichtet und in Betrieb genommen werden. Bei den eingesetzten Komponenten sind höchste Wirkungsgrade und geringste Temperaturverluste ein Muss. Steht zusätzlich andere, sonst nicht verwertbare Wärme oberhalb von 60 °C (besser 80 °C) bei gleichzeitigem Kältebedarf zur Verfügung, ist die Wirtschaftlichkeit insbesondere ab dem mittleren Leistungsbereich erreichbar. Vorteile ergeben sich auch, wenn beispielsweise das Kollektorfeld zu Zeiten ohne Kältebedarf anderweitig genutzt werden kann. Bei der Entwicklung von Absorptionskälteanlagen im kleineren Leistungsbereich bis 25 kW gab es zuletzt einige Fortschritte und mittlerweile gibt es auch mehrere Anbieter. Ohne die Förderung über ein Markteinführungsprogramm ist es jedoch aktuell nicht realistisch, dass ein Stückzahlniveau erreicht wird, um mit der klassischen, elektrisch angetriebenen Kompressionskälteerzeugung in den Wettbewerb einzutreten.

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Mit Sonnenwärme kühlen
  2. Teil: Über Hawi Energietechnik
  3. Teil: Grundprinzip einer LiBr/H2O-AKM
  4. Teil: Eric Theiß
  • Solarkollektorfeld. Die 200-m2-Aufdachanlage wird zur anteiligen Deckung des Raumwärmebedarfs und zur Trinkwassererwärmung genutzt und kann auch Wärmeenergie für den Austreiber der Absorptionskältemaschine liefern. Für Konzepte mit einem hohen solaren Deckungsgrad eigenen sich Vakuumröhrenkollektoren besser.
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