Mit Sonnenwärme kühlen: Das Interesse an solarer Klimatisierung wächst

Sonnige Sommertage sind etwas schönes. Doch im Büro kann ein heißer Tag ganz schön anstrengend werden. Deshalb werden immer mehr Gebäude mit Klimaanlagen ausgestattet. Denn wenn es drinnen zu warm wird, leidet die Produktivität. Hier setzt solare Klimatisierung an: Die Sommersonne, welche die Büros aufheizt, liefert auch die Energie für deren Kühlung. Die thermische Nutzung der Sonnenenergie bietet sich hier an: Die Tage, an denen der größte Bedarf an Kühlung anfällt, decken sich mit jenen, an denen die maximalen solaren Energiegewinne möglich sind.

Die Nachfrage nach Klimaanlagen für Büros, Hotels, Labors oder öffentliche Gebäude wie beispielsweise Museen ist beachtlich. Nicht nur in Südeuropa, sondern auch in Deutschland und Mitteleuropa. Bei entsprechenden Bedingungen kann solare und solar unterstützte Klimatisierung eine Alternative zu konventionellen Klimaanlagen sein. Zumal letztere nicht nur wegen problematischer Kältemittel (FCKW und FKW) sondern auch im Hinblick auf die anfallenden CO2-Emissionen zunehmend kritisch bewertet werden.

Dem Trend zur solar unterstützten Klimatisierung entsprechen die Veranstalter des Forums "Solar assisted Air-Conditioning of Buildings" im Umfeld der Intersolar 2002: Die Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS), das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, das Institut für Erhaltung und Modernisierung von Bauwerken e.V. an der TU Berlin und die Pforzheimer Solarpromotion GmbH bieten vom 26 bis 27. Juni 2002 ein zweitägiges internationales Forum an zum Stand der Technik, den energetischen und wirtschaftlichen Aspekten der solaren Kühlung sowie zu den möglichen Anwendungsfeldern. Neben deutschen Unternehmen haben sich Firmen aus aller Welt angemeldet, unter anderem aus Israel, Ghana, Spanien, Indien, den Niederlanden, Belgien und Österreich. Der Solar-Report informiert kurz über die Möglichkeiten und Technik der solaren Klimatisierung und geht auch auf ökonomische Aspekte ein.

Was ist solare Klimatisierung?

Sollen Gebäude mit Hilfe von Sonnenenergie gekühlt werden, können wassergestützte Klimaanlagen oder Lüftungsanlagen mit Wärme betrieben werden, die von Sonnenkollektoren bereit gestellt wird. In Monaten mit hohen solaren Energiegewinnen oder in südlichen Ländern ist keine lange Zwischenspeicherung von Energie nötig. Die Sonne kann, in unseren Breiten zumindest saisonal, einen nennenswerten Anteil der Energie zur Klimatisierung leisten. Auch Kombinationen wassergestützter Systeme und Lüftungsanlagen sind möglich.

Wie funktioniert solare Klimatisierung?

Grundlage der (solar-)thermisch angetriebenen Kühlung ist der thermochemische Vorgang der Sorption: Ein flüssiger oder gasförmiger Stoff wird entweder an einer festen, porösen Substanz angelagert (Adsorption) oder in einer Flüssigkeit oder einem Feststoff aufgenommen (Absorption).

Dem Sorptionsmittel ( z.B. Silikagel, ein Stoff mit großer innerer Oberfläche) wird Wärme (z. B. von einer Solaranlage) zugeführt und Wasser in Form von Dampf entzogen. Nach diesem "Trocknen", der Desorption, kann der Vorgang in umgekehrter Richtung wiederholt werden. Bei der Zufuhr von Wasserdampf lagert sich dieser an die porösen Speichermedien an (Adsorbtion) und gleichzeitig wird Wärme frei.

Nach der Art der Prozessführung werden Verfahren mit geschlossenem Kältemittelumlauf (zur Kaltwassererzeugung) und offene Systeme unterschieden, bei denen das Kältemittel (Wasser) Kontakt mit der Atmosphäre hat. Letztere werden zur Luftentfeuchtung und Verdunstungskühlung verwendet. Beide können wiederum in Verfahren mit flüssigem oder festem Sorptionsmittel eingeteilt werden. Neben der verfügbaren Kälteleistung ist das Verhältnis von Antriebswärme und erzielter Kälteenergie (Coefficient of Performance; COP) eine wesentliche Kennzahl solcher Anlagen (s. Tabelle 1 am Schluss des Artikels)

Absorptionskältemaschinen

Geschlossene Absorptionskältemaschinen mit flüssigem Sorptionsmittel (Wasser- Lithiumbromid) werden in Deutschland meist in Kombination mit Kraft-Wärme-Kopplung betrieben (Blockheizkraftwerke; Fernwärme), können aber auch durch Vakuumröhrenkollektoren unterstützt werden (Antriebstemperatur über 80°). Das Wärmeverhältnis (COP) beträgt 0,6-0,75 bei 1-stufigen Verfahren oder bis zu 1,2 bei 2-stufigen Verfahren. Eine Marktübersicht ist bei der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch (ASUE) erhältlich.

Adsorptionskältemaschinen

Geschlossene Verfahren mit festem Sorptionsmittel arbeiten mit so genannten Adsorptionskältemaschinen (Antriebstemperaturen 60° - 95°; COP = 0,3 - 0,7). Solarenergie kann mit Vakuumröhren- oder Flachkollektoren bereitgestellt werden. Eine Pilotanlage der Universitätsklinik Freiburg zur Klimatisierung eines Laborgebäudes wird mit Röhrenkollektoren versorgt; in Konzeption und wissenschaftlicher Begleitung ist das Fraunhofer ISE beteiligt.
Die Kältemaschine besteht aus zwei Adsorbern, einem Verdampfer und einem Kondensator. Eine Adsorberkammer nimmt den im Verdampfer bei Unterdruck und tiefen Temperaturen (etwa 9°C) in die Gasphase überführten Wasserdampf auf. Das als Trocknungsmittel bekannte umweltfreundliche Granulat Silikagel lagert ihn an (adsorbiert den Dampf). In der anderen Sorptionskammer wird der Wasserdampf mit dem Heißwasser der Sonnenkollektoren (etwa 85°C) wieder freigesetzt (die Kammer wird regeneriert oder "aufgeladen"). Der Druck steigt und der Dampf kann bei Umgebungstemperatur (30°C) in einem Kühlturm wieder verflüssigt (kondensiert) werden. Durch ein Drosselventil gelangt das Wasser wieder in den Verdampfer, und der Kreislauf beginnt von vorne. Sowohl das kondensierte Wasser (niedrige Temperatur) als auch die Sorptionswärme (hohe Temperatur) werden abgeführt.

Die thermische Antriebsenergie für diese Adsorptionskältemaschine erzeugen Vakuumröhrenkollektoren mit einer Fläche von 170 m². Zusätzlich verbessern Wärmespeicher die Ausnutzung der Solarwärme. Ein Kältespeicher wirkt als Puffer bei kurzzeitigen Lastschwankungen. In der kalten Jahreszeit erwärmt die Sonnenenergie die Zuluft und hilft so, Heizkosten zu sparen.

Sorptionsgestützte Klimatisierung

Obwohl das Verfahren der sorptionsgestützte Klimatisierung (SGK) schon seit langem bekannt ist, wird es in Europa erst seit rund 15 Jahren angewendet. Prinzipiell können SGK-Klimatisierungsanlagen unter mitteleuropäischen Klimabedingungen überall dort eingesetzt werden, wo eine Aussenluftkonditionierung erwünscht ist, also z.B. in Lüftungszentralen. Ihr wirtschaftlicher Betrieb ist dann möglich, wenn kostengünstige Wärmeenergie zur Verfügung steht, zum Beispiel aus KWK-Anlagen, nicht ausgelasteten Fernwärmenetzen. Eine neue, vielversprechende Wärmequelle sind solarthermische Anlagen. Offene SGK-Anlagen sind Frischluftsysteme, in denen die Außenluft durch Sorption getrocknet, mit einem Wärmerückgewinnungsrotor vorgekühlt und zuletzt durch Verdunstungsbefeuchtung auf Zimmertemperatur gekühlt wird. Das Prinzip der SGK wird in der Grafik skizziert. Die Solarenergie wird zur Entfeuchtung des Sorptionsmittels eingesetzt ( 7 -> 8 ).

Die wichtigsten Prozessschritte des Verfahrens sind:

1 - 2 Sorptive Entfeuchtung der Aussenluft mit gleichzeitiger Temperaturerhöhung durch die freiwerdende Adsorptionswärme
2 - 3 Abkühlung der Luft im Wärmerückgewinnungsrotor (WRG) im Gegenstrom zur Abluft
3 - 4 weitere Abkühlung der Luft durch Verdunstungsbefeuchtung; die Zuluft zum Gebäude hat eine niedrigere Temperatur und einen geringeren Gehalt an Wasserdampf als die Aussenluft
4 - 5 Erwärmung der Luft und ggf. Anreicherung mit Wasserdampf durch Raumlasten
5 - 6 Absenkung der Temperatur der Abluft des Gebäudes durch Verdunstungskühlung im Befeuchter
6 - 7 Erwärmung der Abluft im Gegenstrom zur Zuluft im WRG-Rotor
7 - 8 weitere Erwärmung der Abluft durch externe Wärmequelle (z.B. Solaranlage)
8 - 9 Regenerierung des Sorptionsrotors durch Desorption des gebundenen Wassers

Gegenwärtig sind überwiegend Anlagen mit rotierenden Sorptionsrädern (Sorptionsrotoren) im Einsatz. Das Sorptionsrad enthält kleine Luftkanäle, die eine sehr große Kontaktoberfläche schaffen, die mit einem Stoff behandelt wurde, der leicht Feuchtigkeit aufnimmt, beispielsweise Silikagel. Die Zuluft wird in einem der beiden Sektoren des Rotors entfeuchtet und durch den Adsorptionsvorgang erwärmt (die Abluft dient zur Trocknung des Rotors). Anschließend wird die Zuluft in einem Wärmerückgewinnungsrotor abgekühlt. Die Wärmeübertragung erfolgt hier durch den Kontakt der Luft mit dem Rotormaterial. Der letzte Schritt zu Abkühlung der Zuluft ist eine konventionelle Verdunstungsbefeuchtung.

Was leisten solare Klimatisierungssysteme?

Für eine Studie der Internationalen Energie-Agentur (IEA) im Rahmen des TASK 25 "Solar Assisted Air Conditioning of Buildings" haben Wissenschaftler des Freiburger Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme ISE solar unterstützte Klimatisierungssysteme untersucht. Detaillierte Beschreibungen und Ergebnisse der verglichenen Anlagen können der Endfassung der Studie entnommen werden [1]. Für unterschiedliche Klimata (Trapani/Sizilien; Freiburg und Koenhagen) wurden Jahressimulationen von fünf Varianten einer solar unterstützten Anlage zur Luftaufbereitung mit einem konventionellen System durchgeführt und verglichen.

Energiebilanz

Ohne den Einsatz von Solarenergie erhöht eine thermisch angetriebene Klimatisierung den Primärenergieverbrauch (thermisch und elektrisch) an jedem der untersuchten Standorte. Der Grund dafür sind die niedrigeren Arbeitszahlen dieser Verfahren im Vergleich zu elektrisch betriebenen Kompressionskältemaschinen.

Werden Absorptions- oder Adsorptionskältemaschinen eingesetzt, sind solare Deckungsanteile für die Kühlung (SDK) von 30 % (Freiburg) bzw. fast 50% (Trapani) erforderlich, um eine Primärenergieeinsparung zu bewirken. Der SDK ist der Anteil der von der Solaranlage bereitgestellten Wärme zur sommerlichen Kühlung. Bei solaren Deckungsanteilen von 85 % kann der Primärenergieverbrauch gegenüber der konventionellen Referenzanlage um über 50% gesenkt werden. Die Ergebnisse wurden am Beispiel eines Referenz-Bürogebäudes ermittelt und sind insofern nicht einfach auf andere Anwendungsfälle und Gebäude übertragbar.

In Trapani führte die SGK in Kombination mit einer Kompressionskältemaschine bereits bei einem solaren Deckungsanteil von 30 % zu einer geringen Primärenergieersparnis. Liefert die Sonne 85% der Wärme für die Klimatisierung, können knapp 50% Primärenergie eingespart werden. Hier werden zwei positive Aspekte sichtbar: Die SGK kann wirksam zur Luftentfeuchtung genutzt werden und erreicht dabei auch einen relativ guten Gesamtwirkungsgrad.

Wirtschaftlichkeit

Obwohl in Deutschland bereits über 20 Anlagen installiert sind, die thermische Solarenergie zur Klimatisierung von Gebäuden nutzen und technisch wie wirtschaftlich bewertet werden können, sind noch etliche Hindernisse bei der Umsetzung der solaren Klimatisierung auszuräumen. In den 12 an der Task 25 des Solar Heating & Cooling Programms der IEA beteiligten Ländern wurden Erfahrungen mit rund 30 Anlagen gesammelt und derzeit werden 10 Anlagen in einem Demonstrationsprogramm untersucht. Solche Pilot- und Demonstrationsverfahren sind weiter notwendig, damit Kostensenkungen möglich werden und relevante Energieeinsparungen sicher gestellt werden. Standardisierte Verfahren, ausgereifte Konzepte und die Entwicklung der Komponenten sind Ansatzpunkte, die zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit und breiten Anwendbarkeit der solaren Klimatisierung beitragen können.

Da solare Kühlung statt der üblichen elektrischen Kälteproduktion auf thermisch angetriebenen Verfahren gründet, spielen die Kosten für die genutzte Wärme eine zentrale Rolle: Ein grundsätzliches Problem werfen die in der Regel höheren Kosten der solaren Wärme im Vergleich zur Wärmeenergie aus fossil beheizten Anlagen oder der Abwärme auf. Die Experten des Fraunhofer ISE erwarten in dieser Hinsicht zunächst keine wirtschaftlichen Vorteile der solaren Klimatisierung. Interessant wird deren Einsatz, wenn günstige Voraussetzungen für einen hohen Ertrag an nutzbarer Sonnenwärme gegeben sind und die Solaranlage auch Energie für die Heizung liefert. Auch der Strompreis könnte ein Argument für die solare Kühlung liefern: Die thermisch angetriebenen Kälteverfahren benötigen nur etwa ein Viertel (Absorption/Adsorption) bzw. die Hälfte der elektrischen Leistung (SGK), die für das konventionelle Referenzsystem erforderlich war.

Die vergleichende Untersuchung des ISE ergab, dass unter den Verfahren die sorptionsgestützte Klimaanlage mit nachgeschalteter konventioneller Kühlung (Kompressionskältemaschine) die aussichtsreichste Systemkombination darstellt, zumindest für das Mittelmeerklima. Die SGK verursachte an allen Standorten die geringsten Kosten; die teuerste Lösung sind derzeit Adsorptionskältemaschinen. Ein Chance für die SGK sehen die Wissenschaftler am Fraunhofer ISE in der Kooperation von deutschen Einrichtungen und Unternehmen, die Erfahrungen beim Betrieb von Sorptionsverfahren für die Klimatisierung beziehungsweise mit großen solarthermischen Anlagen gesammelt haben. Die Umsetzung dieses know-hows könnte, besonders im Mittelmeerraum, eine Marktlücke auftun.

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1) noch in Entwicklung

Material und Bilder: Fraunhofer ISE: Redaktion Solarserver: Rolf Hug. Wir danken Herrn Dr. Hans-Martin Henning und Dipl.-Ing. Carsten Hindenburg für die freundliche Unterstützung.

Das internationale Forum "Solar assisted Air-Conditioning of Buildings" findet von 26. bis 27. Juni 2002 im Rahmen der Intersolar 2002 in Freiburg statt. Die Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS), das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, das Institut für Erhaltung und Modernisierung von Bauwerken e.V. an der TU Berlin und die Pforzheimer Solarpromotion GmbH informieren über den Stand der Technik, die energetischen und wirtschaftlichen Aspekte der solaren Kühlung sowie über die möglichen Anwendungsfelder. Weitere Informationen unter www.intersolar.de.