Solar unterstütztes Heizen und Kühlen von Gebäuden:
Technik, Märkte und Perspektiven

von Björn Nienborg
02.02.2010

Auch wenn in der Zukunft noch einige Hürden zu meistern sind, zeigt die Entwicklung der solar unterstützen Heizung und Kühlung, dass es mit der solaren Klimatisierung vorangeht. Potenzial hat die thermische Kälteerzeugung auch, um die Auslastung von wärmegeführten Mini-Blockheizkraftwerken (BHKW) zu steigern. Als weitere Einsatzmöglichkeit wird derzeit auch die Ankopplung an Fernwärmenetze analysiert, da diese im Sommer häufig nicht ausgelastet sind. Im Solar-Report Februar 2010, gibt Björn Nienborg, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme ISE in Freiburg, im Vorgriff auf den kommenden Sommer einen Überblick über die Perspektiven der Klimatisierung mit Solarwärme. Doch auch im kalten Winter 2009/2010 eröffnen sich inhaltliche Bezüge, denn der Betrieb einer Kältemaschine als Wärmepumpe im Winter kann den Nutzungsgrad einer Solarwärmeanlage weiter erhöhen und so deren Wirtschaftlichkeit verbessern.
Solar-Report als PDF-Dokument

Wachsender Energiebedarf für die Gebäudekühlung

Rund 40% des Endenergieverbrauchs in Europa gehen heute zu Lasten von Gebäuden, etwas mehr als die Hälfte davon wird in Privathaushalten eingesetzt [1]. Zwar nahm der flächenspezifische Energieverbrauch für das Heizen in den letzten 20 Jahren als Folge steigender Energieeffizienz bei der Wärmebereitstellung und der Bauweise kontinuierlich ab, aber der Verbrauch für die Gebäudekühlung wächst stark. Gründe dafür sind die zunehmenden thermischen Lasten in den Gebäuden durch elektrische Geräte, die höheren Komfortansprüche auch an das Raumklima sowie der Trend, in der Architektur, vermehrt große lichtdurchlässige Flächen umzusetzen. Bis 2020 wird in Europa ein Anstieg der in Wohnhäusern installierten elektrischen Leistung für Klimageräte um jährlich mehr als 10% prognostiziert [2].

Kühlung mit Solarwärme und Solarstrom

Aufgrund der Übereinstimmung von solarem Strahlungsangebot und Kühllastspitzen bietet sich die solare Kühlung an, einen beträchtlichen Teil der Last emissionsarm zu decken. In der Praxis kommen die folgenden Verfahren zur Anwendung:

• Die Solarstrahlung wird in Sonnenkollektoren in Wärme umgewandelt, die einem thermisch angetriebenen Kälteprozess oder einem direkten Luftkonditionierungsprozess zugeführt wird;
  
  
• Insbesondere für Spezialanwendungen, beispielsweise zur Kühlung von Medikamenten in netzfernen Gebieten, wird aus der Solarstrahlung mittels eines Photovoltaik-Generators Solarstrom erzeugt, der dann einen Kälteprozess – üblicherweise eine Kompressionskältemaschine – antreibt.

Zu Gebäudekühlung und -klimatisierung werden derzeit ausschließlich solarthermisch angetriebene Verfahren eingesetzt, auf diese konzentriert sich dieser Solar-Report.

Foto: Klimatisierung eines Gebäudes der Universität Sevilla. Kältemaschine: Zweistufige BROAD BZH 15 IX, China. Antriebsquelle: 352 m2 linear-konzentrierende Fresnel-Kollektoren (Mirrox, Deutschland). Rückkühlung: Nasskühlturm. Kühlung: Kälteverteilung über zentrales Lüftungssystem. Bildquelle: Mirrox GmbH.

Solarthermie spart Strom und vermeidet CO2-Emissionen

Gegenüber der herkömmlichen, elektrisch betriebenen Kompressionskältetechnik bietet die solare Kühlung eine Reihe von Vorteilen. Zum einen arbeiten die Maschinen mit umweltfreundlichen Kältemitteln. Meist wird Wasser verwendet, das im Gegensatz zu den in Kompressionskältemaschinen eingesetzten Kältemitteln kein Treibhauspotenzial besitzt (z.B. R134a: GWP=1300). Da die Systeme lediglich Hilfsenergie für den Betrieb von Pumpen, Rückkühlung, etc. benötigen, verbrauchen sie bei richtiger Auslegung auch deutlich weniger Strom. So wird neben den resultierenden CO2-Einsparungen auch das Stromnetz entlastet – in einigen südlichen Ländern ein gewichtiger Vorteil, denn der massenhafte Betrieb von elektrischen Klimaanlagen im Sommer führt gelegentlich zur Überlastung des Stromnetzes. Zusätzlich zur Kühlung kann das Solarkollektor-System auch Wärme zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung bereitstellen, wodurch weitere Emissionen vermieden werden. Außerdem sind die Schallemissionen deutlich geringer, da die Maschinen ohne Kompressor auskommen.

Thermisch angetriebene Kältemaschinen

In der Forschung wird an weiteren Technologien gearbeitet, beispielsweise der Dampfstrahlkälte oder einem thermisch getriebenen Kompressor, auf die an dieser Stelle nicht weiter eingegangen wird.

Abbildung 1: Vergleich von offenen und geschlossen Kühlsystemen; Quelle: Fraunhofer ISE

Offene Verfahren für Gebäude mit hohen Feuchtelasten und hohen Luftwechselraten

Bei diesen auch sorptionsgestützte Klimatisierung (SGK; engl.: desiccant evaporative cooling, DEC) genannten Verfahren wird die Außenluft sorptiv entfeuchtet und anschließend mittels Wärmerückgewinnung sowie direkter und indirekter Verdunstungskühlung auf Solltemperatur gebracht. Üblicherweise wird die Entfeuchtung in einem Rotor realisiert, der das Sorptionsmittel Silikagel oder Lithiumchlorid enthält, aber zunehmend geraten Verfahren der Flüssigsorption (Sorptionsmittel: Lithiumchlorid) in den Blickpunkt des Interesses. Verschiedene Unternehmen bieten diese Technik bereits an. Wärme wird zur Regeneration der Sorptionseinheit benötigt.

Geschlossene Verfahren zur Kaltwassererzeugung

Geschlossene Sorptionskältemaschinen beruhen auf folgenden sorptiven Prozessen:

a) der Adsorption: Diese funktioniert mit festen Sorbentien. Übliche Arbeitsmittelpaare sind Silikagel oder Zeolith als Sorptionsstoff und Wasser als Kältemittel.

b) der Absorption: Hier sind die Sorbentien flüssig. Kommerziell verfügbare Maschinen bedienen sich der Arbeitsmittelpaare Lithiumbromid als Sorptionsstoff und Wasser als Kältemittel, oder Wasser als Sorptionsstoff und Ammoniak als Kältemittel. Mit dem letztgenannten Arbeitsmittelpaar können Temperaturen unterhalb von 0°C erreicht werden,

Mehr Erläuterungen zu offenen und geschlossenen Verfahren finden sich beispielsweise in [3] sowie im Leitfaden zur solaren Klimatisierung [6]. Im Folgenden wird weiter auf die Systeme zur Kaltwassererzeugung, also auf die geschlossenen Verfahren eingegangen.

Abbildung 2: Schematische Gegenüberstellung der Funktionsweise von Sorptions- und Kompressionskältemaschinen; *bei Split-Systemen fließt auch die Stromaufnahme des Rückkühlventilators in den EER ein; Quelle: Fraunhofer ISE

Erhöhung des COP senkt Anlagen- und Betriebskosten

Die beschriebenen Technologien finden bereits seit vielen Jahren Einsatz zur Kälteerzeugung im großen Leistungsbereich (>100kW), daher gibt es zahlreiche Hersteller. Maschinen im kleinen Leistungsbereich (<20kW) sind erst seit wenigen Jahren marktverfügbar. Tabelle 1 gibt eine Übersicht mit den Nennbetriebsdaten. Bei der Produktwahl gilt es, die unterschiedlichen Randbedingungen zu beachten und ggf. andere Arbeitspunkte vom Hersteller zu erfragen.

Tabelle 1: Übersicht marktverfügbarer Kältemaschinen mit einer Nennkälteleistung unter 20kW

-Interner chem. Speicher

- WP-Modus1

Aufbau solarer Kühlsysteme

Die grundsätzliche Funktion eines solaren Kühlsystems ist in Abbildung 3 dargestellt. Das Kollektorfeld wandelt einfallende Solarstrahlung in Wärme um, mit der der Speicher beladen wird. Dieser versorgt bei Bedarf alle Verbraucher mit Energie: die Sorptionskältemaschine zur Kühlung, oder die Heizung sowie die Warmwasserbereitung. Wenn die Solarwärme nicht ausreicht (z.B. Wolkentage, Winter), kann ein konventioneller Heizkessel Wärme bereitstellen. Damit das System effizient funktioniert, ist es wichtig, die Komponenten abgestimmt zu wählen, zu installieren und in Betrieb zu nehmen sowie ein abgestimmtes Regelungskonzept zu implementieren.

Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren für unterschiedliche Kälteprozesse

Kollektorfläche installiert [3]. Dieser Bereich hat sicher als Kompromiss zwischen solarer Deckung einerseits und einer Begrenzung der Investitionskosten und Minimierung des Stagnationsrisikos andererseits herausgebildet. Allerdings ist die genaue Dimensionierung des Kollektors abhängig vom Standort sowie von den Lastprofilen in der Anwendung und daher Gegenstand der Anlagenplanung.

Teilweise widersprüchliche Anforderungen an den Speicher

Der Speicher ist die zentrale Schnittstelle des Systems und muss teils widersprüchliche Anforderungen erfüllen. In der Kühlsaison soll er die Starttemperatur der Kältemaschine schnell erreichen, dafür ist ein kleines Volumen vorteilhaft. Um den kontinuierlichen Betrieb trotz vorüberziehender Wolkenfelder sicherzustellen, ist jedoch eine große Kapazität erforderlich – ebenso wie zu Heizungsunterstützung. Dazu soll er unabhängig von den hohen Volumenströmen eine stabile Temperaturschichtung gewähren. In der Praxis haben sich Größen von rund 50 Litern pro installiertem Quadratmeter Kollektorfläche als praktikabel erwiesen.

Abbildung 3: Schematischer Aufbau eines solaren Kühlsystems; Quelle: Fraunhofer ISE

Hybridkühler oder Trockenkühler mit Besprühung kombinieren Vorteile von Trocken- und Nasskühlung

Im Kaltwasserkreis der Kältemaschine sind hohe Temperaturen vorteilhaft für die Performance. Daher eignen sich Bauteilaktivierung und Kühldecken besonders zu Kälteverteilung. Bei der Luftkühlung kann oftmals mit höheren Temperaturen als den in der herkömmlichen Klimatechnik üblichen 7/12°C Spreizung gearbeitet und so eine höhere Effizienz erzielt werden. Dazu müssen die Konvektoren großzügiger dimensioniert werden.

Um den Einsatz von elektrischer Hilfsenergie für Pumpen gering zu halten, müssen in allen hydraulischen Kreisen die Rohrquerschnitte entsprechend der Herstellervorgaben ausgeführt werden. Zudem lohnt es sich, Hocheffizienzpumpen einzusetzen.