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Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen Moritz Kuhn, Mathias Safarik, Lutz Richter.

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Präsentation zum Thema: "Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen Moritz Kuhn, Mathias Safarik, Lutz Richter."—  Präsentation transkript:

1 Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen Moritz Kuhn, Mathias Safarik, Lutz Richter

2 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn2 Übersicht Vorstellung Institut Einleitung Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung Absorptionskälteanlage Wirkungsweise Marktangebot Klein AKA Wegracal SE 15 Einkopplung der Solarwärme

3 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn3 ILK – Zahlen Gegründet Eingliederung ins Kombinat ILKA Luft- und Kältetechnik, Ausbau auf 500 Mitarbeiter Wiedergründung aus der ILKA Luft- und Kältetechnik GmbH Ab privatisiert mit dem Verein zur Förderung der Luft- und Kältetechnik e.V. als Gesellschafter 121 Festangestellte Mitarbeiter, 20 Professoren bzw. promovierte Mitarbeiter, 48 Dipl.- Ing. Universität/Hochschule, 22 Dipl.- Ing. Fachhoch- /Ingenieurfachschule, 31 Facharbeiter.

4 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn4 ILK – Auftragsstruktur 7 Mio. Umsatz; 1/2 FFA und 1/2 Öffentliche Hand AG im FFA-Bereich weltweit Öffentliche Hand: GEWIPLAN PROINNO SMWA BMWI / Projektträger Jülich BMBF / VDI / DESY EU

5 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn5 Institutsstruktur Kälte- und Tieftemperaturtechnik Klima- und Energietechnik Angewandte Neue Technologien Klimatechnik Meerwasserent- salzung Luftreinhaltung Kryotechnik Kältetechnik Größtes industrienahes Forschungsinstitut der Branche unabhängig und neutral fachübergreifende Zusammenarbeit

6 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn6 Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige GmbH

7 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn7 Hintergrund – Solare Kühlung Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit von Menschen hängen von sauberer frischer Luft, mit der richtigen Temperatur und Feuchte ab. Allein kleine Klimaanlagen unter 12 kW verbrauchten GWh an Primärenergie Laut EU-Studien wird sich dieser Wert bis 2020 vervierfachen Im Sommer extreme Spitzenlasten Vorwiegend Kompressionskältemaschinen mit hohem Elektroenergiebedarf Alternative: Nutzung von Solar- oder Abwärme durch thermische Kälteerzeugung

8 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn8 Umweltverträglichkeit einiger Kältemittel ODP: Ozon Depletion Potential = Ozonzabbaupotential GWP: Globel Warming Potantial = Treibhauspotential, direkt TEWI: Totel Equivalent Warming Impact: Summe aus dem direkten und indirekten GWP

9 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn9 Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung Thermische Systeme Wärme- trans- formation Thermo- mechanische Prozesse Thermo- kinetische Prozesse Offene Systeme Geschlossene Systeme Feststoff- sorbentien Flüssige Sorptions- mittel Feststoff- sorbentien Flüssige Sorptions- mittel Adsorption Trocken- absorption Rankine cycle/ Kompressor Dampfstrahl- KM

10 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn10 Schema eines Trocknung- und Verdunstungskühlungsprozesses (DEC) Produktunterlagen der Fa. Klingenburg, Gladbeck

11 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn11 Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung – DEC Bewertung von DEC-Systemen Vorteile Trennung von Kühlung und Entfeuchtung möglich niedrige Regenerationstemperaturen preiswerte Kollektoren (auch Luftkollektoren) einsetzbar Nachteile Größe der Anlagen Strombedarf für Ventilatoren Kühlung nur über Luftwechsel realisierbar (Kaltluftzufuhr) nicht funktionsfähig bei hohen Außenluftfeuchten nur für Klimakälte geeignet © Produktunterlagen der Fa. Robatherm, Burgau

12 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn12 Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung – Adsorption Schema einer Adsorptionskältemaschine Quelle:

13 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn13 Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung – Adsorption Bewertung von Adsorptionskältemaschinen Vorteile vergleichsweise niedrige Antriebstemperaturen Erzeugung von Kaltwasser Nachteile Preis, Bauvolumen und Gewicht der Anlagen Leistungsstufen: kleinste, bisher verfügbare Anlage 50 kW erhöhter regelungstechnischer Aufwand Adsorptionskältemaschine NAK 70 Fa. Nishiyodo, Japan

14 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn14 Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung – Absorption Prinzip und Schema einer Absorptionskältemaschine Absorptionskälteprozess im log p - -1/T - Diagramm Kompressionskälteprozess im log p - -1/T - Diagramm

15 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn15 Vergleich der Arbeitsstoffpaare NH 3 /H 2 O und H 2 O/LiBr in Absorptionskälteanlagen

16 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn16 Abhängigkeit der Heizmedienaustrittstemperatur von der Kälteträgeraustrittstemperatur für SE- Absorptionskreisprozesse mit Ammoniak / Wasser

17 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn17 Abhängigkeit der Heizmedienaustrittstemperatur von der Kälteträgeraustrittstemperatur für SE- Absorptionskreisprozesse mit Wasser/LiBr

18 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn18 Aufbau klassischer H 2 O/LiBr - Absorptionskältemaschinen Fa. York

19 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn19 Marktangebot HerstellerHeizwasser- ausführung Kälteleistung [kW] H 2 O/LiBr NH 3 /H 2 O CarrierX AximaX BroadX Broad17, Weir-EntropieX YorkX TraneX Cogeniex Phönixx10 EAWX Robur ILK/PartnerX ColibriX Mattes/Siemens (?)X

20 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn20 Schema einer Single-Effect-Absorptionskältemaschine, Fa. EAW

21 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn21 Spiralrohrwärmeübertrager Besonderer Wärmeübertrager in kompakter Bauweise Verbesserung des Wärmeübergangs

22 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn22 Entwicklungen des ILK – Produktspektrum SE-Absorptionskältemaschinen der Fa. EAW

23 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn23 H 2 O/LiBr-Absorptionskältemaschinen – Anwendungen und Referenzen

24 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn24 Fazit Anlagen etablieren sich zunehmend erfolgreich am Markt weitere Verbreitung auch von energiepolitischen Rahmenbedingungen sowie der Entwicklung anderer Technologien abhängig, u.a.: KWK – Gesetz Liberalisierung des Strommarktes, Strompreisentwicklung Kältemitteldiskussion Verbreitung Biogasanlagen Marktreife Brennstoffzellen

25 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn25 Klein-Absorptionskältemaschine WEGRACAL SE 15 Wasser/Lithiumbromid – Absorptionskältemaschine mit einer Nenn-Kälteleistung von 15 kW Kaltwassererzeugung Wärmequellen: Solarwärme; BHKW-Abwärme; Fernwärme Nutzung einer speziellen, bereits in größeren Anlagen bewährten Wärmeübertragergestaltung Erster Prototyp seit 2003 in Betrieb Auslegungsbedingungen : Heizwasser: 90 / 80 °C Kühlwasser:32 / 38 °C Kaltwasser:17 / 11 °C Betrieb über weiten Bereich externer Temperaturen möglich

26 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn26 Wissenschaftlich begleitete Anlagen Moosburg, Bayern - Flachkollektoren 42 m² - offener Verdunstungskühler - Warm- (1.5 m 3 ) und Kaltwasserspeicher (0,8 m 3 ) - Gebläsekonvektoren - Ersatzwärmequelle: Holzpelletkessel -> CO 2 -neutral! Hamburg - Wärmequelle BHKW - offener Verdunstungskühler - Warm- und Kaltwasserspeicher - Heizung und Kühlung eines Verkaufsraumes über Fußbodentemperierung Dresden, Sachsen - Vakuumröhrenkollektoren 45 m² - Trockenrückkühler - keine Wärme-/Kältespeicherung im Kühlbetrieb - Gebläsekonvektor zur Kühlung einer Versuchshalle

27 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn27 Rückkühlkonzepte für Absorptionskältemaschinen Verdunstungskühlung +Kühlgrenze:Feuchtkugeltemperatur Bsp: 29,9°C; 31 % RH 17,9 °C +geringer Energiebedarf für Ventilatoren – Wasserbedarf – Wartungsaufwand Trockenrückkühler – Kühlgrenze:Lufttemperatur Bsp: 29,9°C –höherer Energiebedarf für Ventilatoren +kaum Wartungsaufwand +kein Wasserbedarf Quelle: Dierks

28 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn28 Solare Wärmeerzeugung für Absorptionskälte

29 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn29 Kälteleistung und externe Bedingungen

30 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn30 Einflussgrößen Kühllast – Ausrichtung und Sonnenschutz Raumtemperatur in Abhängigkeit der Fassadenorientierung und des Sonnenschutzes ohne innen außen Berechnungsmonat Juli, Glasanteil Fassade 50 %, Sonnenschutz bei direkter Strahlung gezogen Sonnenschutz: Süden Raumlufttemperatur in °C

31 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn31 Einflussgrößen Kühllast – Sonnenschutz Wärmeschutz im Winter = Wärmeschutz im Sommer ??? = = = =

32 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn32 Einflussgrößen Kühllast – Gebäudenutzung Kühllastverlauf eines Hotels und eines Bürogebäudes in Palermo

33 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn33 Solare Kühlung – Vergleich Kühllast und Solarertrag Kühllast eines Bürogebäudes in Freiburg und Einstrahlung (4.Juli; Wochentag)

34 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn34 Solare Kühlung – Vergleich Kühllast und Solarertrag Kühllast eines Bürogebäudes in Freiburg und Einstrahlung (4.Juli; Wochentag)

35 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn35 Solare Kühlung – Simulation Simulationsprogramme ermöglichen Abstimmung der einzelnen Komponenten komplexer Systeme SolAC TRNSYS

36 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn36 Strahlungsangebot – Standort und jahreszeitliche Verteilung Verteilung der solaren Wärmeerträge an den Standorten Potsdam (S, 45°) und Murcia (S, 30°) größte Tagessumme Einstrahlung Potsdam (Süd, 30°):8,59 kWh/m 2 Murcia (Süd, 20°):8,52 kWh/m 2

37 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn37 Solares Heizen und Kühlen (solar combi-system plus) Anlagenprinzip und Vorteile Ganzjährige Nutzung der Kollektorfläche zum Heizen und Kühlen Hohe Versorgungssicherheit durch die Verwendung eines Backup-Systems Verwendung der gleichen Systeme zum Heizen und Kühlen

38 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn38 Kühllast – Solarertrag, Fazit Komplexer Zusammenhang zwischen Kühllast und Solarertrag Beträchtliche Reduzierung der Kühllast durch richtige Beschattung, dadurch auch ein Einsparpotential bei Kompressionskälteanlagen Berechnung der Heiz- und Kühllast für konkretes Projekt erforderlich sorgfältige Auslegung spart Investkosten, sichert Anlagenwirkungsgrad ganzjährige Nutzung der Solarerträge steigert Wirtschaftlichkeit Simulationsprogramme erleichtern bzw. ermöglichen Dimensionierung komplexer Systeme Anlagen etablieren sich zunehmend erfolgreich am Markt Wirtschaftlichkeit solarthermischer Kälteanlagen ist noch nicht gegeben weitere Verbreitung auch von energiepolitischen Rahmenbedingungen sowie der Entwicklung anderer Technologien abhängig

39 Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH Ende der Präsentation Dipl. – Ing. Moritz Kuhn Kälte- und Tieftemperaturtechnik ________________________________________ Tel.: / Fax: / www:www.ilkdresden.de ____________________________________ Institut für Luft- und Kältetechnik Gemeinnützige Gesellschaft mbH Bertolt-Brecht-Allee Dresden

40 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn40 Primärenergetische Betrachtung © Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme

41 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn41 Bsp. Zustandspunkte

42 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn42 Anlage 1 – Citrin Solar

43 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn43 Anlage 1 – Citrin Solar

44 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn44 Aufbau der solarthermischen Klimakälteanlage am ILK

45 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn45 Aufbau der solarthermischen Klimakälteanlage am ILK

46 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn46 Solare Kühlung – Simulation von Kollektorvarianten Typischer Tagesverlauf ausgewählter Größen (klarer Sonnentag im Juli am Standort Huelva (E), 55 m2 - Vakuumröhrenkollektoren, Meerwasserkühlung)

47 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn47 Solare Kühlung – Simulation von Kollektorvarianten Typischer Tagesverlauf ausgewählter Größen (klarer Sonnentag im Juli am Standort Huelva (E), 55 m2 - Parabolrinnenkollektoren, Verdunstungskühler)

48 Kälte aus der Sonne – solarthermische Kälteanlagen - Moritz Kuhn48


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