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Umsetzung der solaren Kühlung am ITW

Im Gebäude des Instituts für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart wurde ein solar betriebenes Kühlsystem installiert, umfangreich erprobt und vermessen. Dieses Kühlsystem besteht im Wesentlichen aus einer Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschine, die mit Solarkollektoren beheizt und mit Trockenkühlern gekühlt wird, einem Eisspeicher, einem Kaltwasserspeicher. Die Kälteleistung wird mit Kühldecken in die Räume übertragen.



Kernkomponenten der Gesamtanlage

Aufbau im Labor

Aufbau_im_Labor_kleiner

 

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Ammoniak/Wasser Absorptions- kältemaschine

Kaeltemaschine_kleiner

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Solare Beheizung

Solare_Beheizung_kleiner Der Austreiber der Kältemaschine wird mit Flachkollektoren beheizt. Das Kollektorfeld hat eine Gesamtfläche von 32m² und ist nach Süden ausgerichtet. Es ist direkt, ohne zusätzlichen Wärmespeicher mit der Kältemaschine verbunden.

 

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Trockenkühler zur Rückkühlung

Trockenkuehler_kleiner Um einen größtmöglichen Anwendungsbereich der Anlage sicherzustellen, wird die Rückkühlung mit Trockenkühlern erprobt. Nasskühltürme erfordern einen hohen Wartungsaufwand und unterliegen strengen hygienischen Auflagen. Sonderlösungen wie Erdlochbohrungen oder Rückkühlung über ein Schwimmbad schränken den Aufstellungsort der Anlage enorm ein. Der Nachteil des trockenen Rückkühlwerks liegt in den höheren Rückkühltemperaturen. Im Idealfall tritt das Kühlwasser mit der Temperatur der Umgebungsluft aus dem Kühler aus. In der Praxis liegt diese Austrittstemperatur ca. 5 K über der Umgebungslufttemperatur.

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Eisspeicher

Der Eisspeicher dient der Speicherung von Kälteleistung die momentan nicht benötigt wird. Im Falle niedriger Außenlufttemperaturen und gleichzeitig hoher Solarstrahlung tritt kein Kühlbedarf auf und der Eisspeicher kann beladen werden. Zudem sind Büros an Wochenenden oft nicht besetzt. In diesen Zeiten ist die Nutzung der solaren Strahlung für die Kälteerzeugung sinnvoll. Der Eisspeicher bietet die Möglichkeit durch seine hohe Leistungsdichte eine große Kältemenge in einem geringen Volumen zu speichern. Der verwendete Speicher hat ein Volumen von 0,5 m³. Es kann eine Kälteenergie von 40 kWh gespeichert werden.

Eisspeicher2

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Kühlung mit Kühldecken oder Konvektoren

Aufgrund ihrer hohen Betriebstemperaturen bieten Kühldecken die Möglichkeit die Kältemaschine bei hohen Verdampfertemperaturen zu betreiben. In diesem Fall steigt die Leistungszahl (COP) der Kälteanlage im Vergleich zur Eisspeicherbeladung. Die Kühldecken waren außerdem leicht in die Büroräume des ITW zu einzubauen. Es handelt sich um geschlossene Metallkühldecken. Sie bieten einen hohen Komfort, da die Leistung zum großen Teil durch Wärmestrahlung übertragen wird. Zugerscheinungen und Geräuschentwicklung treten nicht auf.

Kuehldecke_einzeln Konvektor

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Teillastregelung

Über einen Tagesverlauf betrachtet ist die solar erzeugte Kälteleistung nicht deckungsgleich mit dem Kühlbedarf eines Raumes. Es gibt Zeiträume, in denen die Kälteleistung an der Kältemaschine viel größer ist, als der Bedarf. Die Antriebsseite der Kältemaschine kann in diesem Fall nicht gedrosselt werden, da kein Wärmespeicher zur Verfügung steht. Die gesamte Heizleistung, die das Kollektorfeld liefert, muss genutzt werden. Somit entsteht eine große Kälteleistung die z.B. im Eisspeicher gespeichert werden könnte.
Der Aufbau des Kühlnetzes wurde im Jahre 2008 umgesetzt. In den folgenden Jahren wurde aufgrund von aktuellen Erkenntnissen aus den Messkampagnen das Kühlnetz stetig verändert und optimiert. In den fünf Räumen im Institut wurden Kühldecken (Fa. Lindner,Plafotherm B) installiert. Zur Erfassung der Raumtemperatur verfügt jeder Raum über einen Temperatursensor.

Teillastregelung_kleiner

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Die erforderliche Vorlauftemperatur für die Kühldecken wird zentral mit einer Rücklaufbeimischung geregelt. Durch Drosselung des Massenstroms am Kühldeckeneintritt kann die gewünschte Raumtemperatur geregelt werden. Ein Wärmeübertrager trennt den Wasser-Glykol-Kreislauf durch Verdampfer und Eisspeicher vom Wasserkreislauf mit den Kühldecken.
Der Eisspeicher wird über den gleichen Kreislauf beladen und entladen. Zusätzlich wurde parallel zum Eisspeicher ein Kaltwasserspeicher in das System eingebunden. Dieser Speicher dient als kurzzeitiger Puffer.
Als Kaltwasserspeicher wurde ein dem Eisspeicher identischer Speicher eingesetzt. Auch der Kaltwasserspeicher kann bei Bedarf vereist werden. Dies kann erfolgen, wenn über mehrere Tage hinweg (z. B. Wochenende) kein Kühlbedarf besteht. Die Betriebssicherheit und die Ausnutzung des Systems wurden dadurch deutlich gesteigert.
Die Kälteversorgung der Räume ist deutlich besser als beim Einsatz eines einzelnen Eisspeichers. Durch die Wahl eines Eisspeichers ist das gesamte System sehr kompakt. Würden Wasserspeicher mit der gleichen thermischen Kapazität verwendet, würde sich das zu installierende Speichervolumen um Faktor 7 vergrößern.
Bei einem südlich ausgerichteten Kollektorfeld kann die Absorptionskältemaschine von ca. 10:00 bis 16:30 Uhr betrieben werden. Speziell bei der Kühlung in den Morgen- und Abendstunden war der Eisspeicher im Einsatz.



Relevante Projekte

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Kontakt

Dr.-Ing. Fabian Schmid

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