M. Henning (Fraunhofer ISE)

Solare Kühlung und Klimatisierung – Stand der Technik
und aktuelle Entwicklung
Hans-Martin Henning
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Freiburg
MEDIFRES-Workshop
29. Januar 2008
Freiburg
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Übersicht
Entwicklungsstand
Trends und Ausblick
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Entwicklungsstand
Trends und Ausblick
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Grundprinzip
Kaltwasser
Wärme
thermisch
angetriebener
Kühlprozess
klimatisierte
Luft
Geschlossene Kä
Kältemaschinen: Kaltwasser
Offene Sorptionsverfahren:
Sorptionsverfahren: Konditionierung Frischluft (Temperatur,
Feuchte)
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heat storage
heat distr.
cold production
cold storage
Thermisch
angetriebene
Kältemaschine
cold distr.
building, load
chilled
ceiling
chilled water
solar collector field
heat
hot water
air handling unit
heating
Offene
Sorptionsverfahren
cond. air
other heat sources
fan
coils
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Mögliche Systeme
Kollektortechnik
KlimaKlima-/Kä
/Kältetechnik
Flachkollektoren,
Solarluftkollektoren
Offene, sorptive Verfahren
(Sorptionsgestützte Klimatisierung)
Flachkollektoren,
Vakuum-RöhrenKollektoren
1-stufige, thermisch angetriebene Kaltwassererzeuger
Hocheffiziente VakuumRöhren-Kollektoren;
Kollektoren mit optischer Konzentration
und Nachführung
2-stufige, thermisch angetriebene Kaltwassererzeuger; 1-stufige Anlagen
mit hohem Temperaturhub
(z.B. Eiserzeugung)
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Kaltwassererzeuger
Absorption
Etliche Produkte für Antrieb mit
Heißwasser (oder Dampf) im
Leistungsbereich > 100 kW
wenige Produkte < 100 kW
Antriebs-Temperaturen 75-100°C
(1-stufig) bzw. 130-160°C (2-stufig)
Adsorption
zwei kommerzielle Systeme (japanische
Hersteller) zum Antrieb mit Heißwasser;
Antriebstemperatur 65-95°C
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Entwicklung kleiner thermisch angetriebener Kältemaschinen in Deutschland
Fa. EAW (mit ILK Dresden): WasserWasser-LiBr,
LiBr, ab 15 kW
Fa. Sonnenklima (mit TU Berlin, ZAE Bayern): WasserWasser-LiBr,
LiBr, ca. 8 kW
Fa. Sortech (mit Fraunhofer ISE): SilikagelSilikagel-Wasser (bzw. ZeolithZeolith-Wasser),
Wasser),
6-8 kW
Fa. Invensor (Berlin): Adsorptionskä
Adsorptionskältetechnik
Fa. Abakus (mit Universitä
Universität HalleHalle-Wittenberg): Absorption, ca. 5 kW
Fh Stuttgart, Uni Stuttgart, Fh Gelsenkirchen, Fh Ilmenau: Ammoniak-Wasser
Fraunhofer Umsicht: Dampfstrahlkälte
(ohne Anspruch auf Vollständigkeit)
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EAW
SK SonnenKlima GmbH
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Entwicklung kleiner thermisch angetriebener Kältemaschinen international
Fa. Pink, Österreich (mit Joanneum Research): AmmoniakAmmoniak-Wasser, ca. 10 kW
Fa. rotartica,
rotartica, Spanien (mit Ikerlan):
Ikerlan): WasserWasser-LiBr:
LiBr: 4.5 kW
Fa. AoSol,
AoSol, Portugal (mit INETI, Uni Lissabon): AmmoniakAmmoniak-Wasser, ca. 8 kW
Fa. robur,
robur, Italien (mit Politecnic Milano, Fraunhofer ISE und Fa. PSE): Adaption direkt
befeuerte AmmoniakAmmoniak-WasserWasser-AbsWP auf Antrieb mit Thermoö
Thermoöl bzw. Heisswasser,
Heisswasser,
17.5 kW
Fa. Yazaki,
Yazaki, Japan: verstä
verstärkt Marktprä
Marktpräsenz in Europa; bietet mittlerweile auch
(wieder) Absorptionskä
Absorptionskältemaschine mit 17.5 kW an
Etliche weitere F+E-Arbeiten an Universitäten und Forschungsinstituten weltweit
(ohne Anspruch auf Vollständigkeit)
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Systemanbieter
Insbesondere Firmen aus dem Solarbereich steigen aktiv in das Thema
Thema solare
Klimatisierung ein
Conergy (insbesondere große Anlagen mit unterschiedlichen Verfahren)
Schüco (mit EAW)
Solarnext (mit Pink und SorTech)
Solid/Österreich (Anlagen mit unterschiedlichen Herstellern,
insbesondere Yazaki)
Solution/Österreich
Sonnenkraft (Velux-Gruppe)/Österreich/Dänemark
Viessmann?
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Offene, sorptionsgestützte Anlagen
Anlagen mit Sorptionsrotor
Sorptionsrotoren von etlichen Herstellern
Antriebstemperaturen 60…95°C
Typisch > 3000 m3/h
Schaltungsvarianten für unterschiedliche
Klimazonen
Anlagen mit flü
flüssigem Sorptionsmittel
Erste Pilotanlagen
Antriebstemperaturen 55…95°C
Gekühlter Sorptionsprozess
Speicherung der Sole
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Sorptionsgestützte Klimatisierung an der IHK südlicher Oberrhein, Freiburg
Klimatisierung von zwei Veranstaltungsräumen (ca. 210 m² Raumfläche)
Konzept: solar autark (keine Nachheizung), technisch einfach (kein
Zwischenspeicher)
Technik: SGK, Rotor mit 10200 m³/h Nennvolumen-Luftstrom
100 m2 Luftkollektoren zum Kühlen und Heizen
In Betrieb seit 2001
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Klimatisierung mit flüssigem Sorptionsmittel
Zusammenarbeit mit Fa. Menerga
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Anlage im Solar-Info-Center
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Anlage Uni-Klinik Freiburg (Medizinische Klinik)
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Erfahrungen mit den offenen Anlagen in Freiburg
IHK
Hohe Nutzerzufriedenheit (trotz einiger Überschreitungsstunden
Raumtemperatur)
Etliche Anpassungen nach Installation erforderlich (Regelungstechnik,
Hydraulik Solarfeld)
Hoher Stromverbrauch der MSR-Technik
SOBIC
Hohe Effizienz (COPthermisch>1)
Eine Reihe verfahrens- und regelungstechnischer Anpassungen nach
Installation erforderlich
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Aktuelle Entwicklungen im Bereich offene Sorption
Deutschland
Flüssigsorptionssystem
– Fa. Menerga: erste Pilotanlagen in Betrieb
– ZAE Bayern: Anlage in Singapur (Spin-Off-Firma)
– Fh Stuttgart, Uni Kassel, …
Feststoffsorption
– ECOS (Fa. Klingenburg, Fa. Vaillant, Fraunhofer ISE)
International
Etliche Projekte an Unis, F+E-Instituten und Firmen, insbesondere im
Bereich Flüssigsorption (Kanada, USA, Japan, China, Australien)
Untersuchungen zum Einsatz und der Anpassung von Anlagen mit
Rotortechnologie an lokale Bedingungen (Frankreich, Italien, Spanien)
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ECOS
ECOS - indirect
Evaporative COoling
CO
counter-flow heat
exchanger with
Sorption
Hohe Entfeuchtungsleistung 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
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Entwicklungsstand
Trends und Ausblick
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Stand installierte Anlagen in Europa
8.7%
Germany
Greece
27.5%
39.1%
Spain
Portugal
Italy
Austria
France
Netherlands
Israel
Turkey
Serbia (Kosovo)
4.3%
ca. 200 Anlagen
(geschätzt)
1.4%
1.4%
5.8%
1.4%
2.9%
4.3%
2.9%
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Trends
EinEin-stufige Anlagen mit „üblicher
„üblicher“
blicher“ Kollektortechnik
für Anlagen zum Heizen und Kü
Kühlen (+ Warmwasser)
Steigende Stückzahlen im kleinen Leistungsbereich Breiter Markteintritt bei Anlagen im
Bereich kleiner Leistungen (Schwerpunkt
Wohngebäude Spanien)
Sinkende Kosten thermische angetriebene
Kälteanlagen (heute 1500-2000 EUR/kW 5001000 EUR/kW)
Standardisierung
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Trends (Forts.)
Anlagen mit einein-achsiger Nachfü
Nachführung und
optischer Konzentration
Anlagen im größeren Leistungsbereich in
Regionen mit hoher Direktstrahlung
Anwendungen mit ausschließlicher
Kälteanforderung
– Zwei-stufige thermisch angetriebene
Kälteanlagen
– Ein-stufige Kälte-Anlagen mit hohem
Temperaturhub (trockene Rückkühlung,
Eisspeicher, Eiserzeugung)
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Offene Fragen und F+E-Bedarf
Die nä
nächsten 33-5 Jahre werden entscheidend fü
für den Erfolg der solaren
Kühlung/Klimatisierung
Firmen drängen auf Markteinführung Qualitätssicherung!
Hohe Vorfertigung bei Anlagen im kleinen Leistungsbereich notwendig
(Handhabung durch Installateur)
Resultierender F+EF+E-Bedarf im Systembereich
Breit angelegte Begleitungsprogramme (Feldtest, Demonstration) mit
umfänglicher Konzept- und Planungsphase und Monitoring (öffentliche
Förderung)
Optimierung und Standardisierung von Anlagen- und Regelungskonzepten
(Industrie)
Adäquate Verbreitungsprogramme (Training, Schulung usw.)
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IEA SHC Task 38 „Solar Air-Conditioning and
Refrigeration“
Internationale Zusammenarbeit unter dem Dach des „Solar Heating &
Cooling Programme“
Programme“ der Internationalen EnergieEnergie-Agentur (IEA)
Laufzeit: September 2006 – August 2009
Beteiligte Lä
Länder
Österreich
Kanada
Frankreich
Italien
Portugal
Schweiz
Australien
Dänemark
Deutschland
Mexiko
Spanien
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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
Subtask C
Modeling and fundamental analysis
Subtask D
Market transfer activities
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Task 38
Solar Air-Conditioning
and Refrigeration
AixAix-lesles-Bains,
Bains, April 2007
Bolzano,
Bolzano, Oct.
Oct. 2006
Barcelona, Oct.
Oct. 2007
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Zusammenfassung
Beginnende Entwicklung eines Marktes fü
für „Solares Heizen und Kü
Kühlen“
hlen“
Kleinanlagen, Mittelmeerraum (Spanien)
Prioritä
Prioritär: Systemtechnik und Transfer
Qualitätssicherung (Anlagenkonzept, Auslegung, Betrieb)
Installateure, Planer, Anlagenbau
Weitere Entwicklungspotenziale (nicht nur fü
für Solaranwendung)
Materialien (Adsorption, ionische Liquide, …)
Verfahrensoptimierung
–
–
–
–
Kompaktheit
Effizienz
Niedrige Antriebs-Temperatur, Temperatur-“Elastizität“
Kosten
Seite 28
Bezug zu CSP
Rückkü
ckkühlung
effiziente Anlagen zur Abfuhr großer Wärmemengen
möglichst niedrige Temperaturen
möglichst geringer Stromaufwand
Kollektoren fü
für Temperaturen im Bereich 150150-250°
250°C
Kälteerzeugung mit 2-stufigen Absorptionskältemaschinen (oder
Dampfstrahlkältetechnik)
Kälteerzeugung mit hohem Temperaturhub (z.B. Eiserzeugung/Eisspeicher und trockene Rückkühlung)
Solare KraftKraft-Wärmerme-Kältelte-Kopplung?
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