Projekt 08491/01

Erprobung und Optimierung eines mit Gas betriebenen Heiz- und Klimatisierungssystems

Projektdurchführung

Technische Universität Hamburg-HarburgTechnische Thermodynamik, M21
Denickestr. 17
21073 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Konventionelle Klimaanlagen weisen einen relativ hohen Primärenergiebedarf auf. Im Sommer ist die Nachfrage nach Gas bzw. thermischer Energie sehr gering, so dass vorhandene dezentrale Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (Blockheizkraftwerke, BHKW) nicht optimal eingesetzt werden können. An der TU Hamburg-Harburg wurde ein Klimatisierungsprozess entwickelt, der die Abwärme von BHKW im Sommer nutzen kann und einen geringeren Primärenergiebedarf als konventionelle Anlagen aufweist.
Ziel des Projektes war es, durch den Betrieb einer Demonstrationsanlage die Praxisrelevanz des entwickelten gasbetriebenen Hybridprozesses unter realen Bedingungen nachzuweisen und die Aussagen des bereits durchgeführten Laborbetriebs und der theoretischen Untersuchungen bezüglich Primärenergiebedarf und Wirtschaftlichkeit zu untermauern. Parallele Laboruntersuchungen und rechnergestützte Simulationen dienten der Optimierung der Anlagenkonfiguration sowie der Untersuchung zur Einbindung anderer Wärme - aber auch Kältequellen. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden zur Erstellung ausführlicher Planungsunterlagen genutzt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Planung der Demonstrationsanlage erfolgte in enger Zusammenarbeit mit einem Betreiber auf der Basis der bisher gewonnenen Laborergebnisse. Die Demonstrationsanlage wurde mit umfassender Messdatenerfassung (zur Temperatur-, Feuchte-, und Volumenstrommessung) ausgestattet, um eine kontinuierliche Überwachung des Betriebs über eine ganze Sommer- und Winterperiode (24 Monate) zu ermöglichen und das Wechselspiel mit Gebäudelast und Klimazustand zu untersuchen. Aus den ge-wonnenen Daten ließen sich eindeutige Aussagen über Primärenergiebedarf und Wirtschaftlichkeit ableiten. Die Messdaten sowie ergänzende Laboruntersuchungen dienten zur Kalibrierung und Anpassung des vorhandenen numerischen Modells.
Das numerische Modell wurde weiterentwickelt, um andere Konfigurationsmöglichkeiten theoretisch zu untersuchen und zu bewerten. Die Untersuchungen zur Einbindung weiterer Wärmequellen, insbesondere von Brennstoffzellen, sollten theoretisch anhand von Simulationen erfolgen und - soweit möglich - durch Labormessungen validiert werden


Ergebnisse und Diskussion

Die Demonstrationsanlage wurde in das Gebäude der Firma Hoppe Bordmesstechnik in Hamburg-Stellingen eingebaut. In der Anlage wird das Konzept der sorptionsgestützten Klimatisierung mit einer Fußbodenkühlung kombiniert. Die dafür notwendige Kühlleistung wird regenerativ mittels Erdkältesonden zur Verfügung gestellt. Die Heizleistung wird von einem Mini-Blockheizkraftwerk gedeckt. Diese Kombination hat eine umweltfreundliche Klimatisierung ohne Kältemaschine ermöglicht. Die Anlage wurde mit entsprechender Messtechnik ausgestattet und der Sommer- und Winterbetrieb begleitet.
Aus dem gemessenen Energiebedarf der Anlage konnte der Jahresprimärenergiebedarf bestimmt werden. Es wurden auch Vergleiche hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und des Primärenergiebedarfs mit vergleichbaren Systemen geführt. Die sorptionsgestützte Klimatisierung führt zur Einsparung von Primärenergie. Aus der Betrachtung der Sommerperiode 2002 ergab sich dabei eine Reduzierung des Primärenergiebedarfs zur Klimatisierung gegenüber einem konventionellen, rein elektrischem System von 60%. In der Jahresbetrachtung wurde festgestellt, dass ein vergleichbares konventionelles System einen um 14% höheren Primärenergiebedarf aufweist. Die Verwendung der Fußbodenheizung zur Kühlung und die Reduzierung der installierten Kühlleistung durch den Einsatz der Sorptionstechnik erfordern viel kleinere Geräte und wirken sich sehr positiv auf die Investitionskosten aus, so dass die Anlage insgesamt in der Anschaffung mit einer konventionellen Klimaanlage vergleichbar ist. Die Gas- und Stromkosten der Anlage sind jedoch minimal, hier fallen nur die Gaskosten für den Betrieb des Mini-BHKW an, wobei der erzeugte elektrische Strom für den Eigenbedarf des Gebäudes zur Verfügung steht, Strom aus dem Netz verdrängt und somit zur Kosteneinsparung beiträgt. Gegenüber dem Referenzfall einer elektrisch betriebenen Nur-Luft-Klimaanlage ist die Demonstratrionsanlage wegen der vergleichbaren Investition und der erheblich niedrigeren Betriebskosten von Anfang an wirtschaftlich. Selbst im Fall einer sorptionsgestützten Klimaanlage mit einer elektrisch betriebenen Kältemaschine (ohne Erdkälte) kann mit erheblichen Kosteneinsparungen gerechnet werden, da die Stromkosten zu Gunsten des Gasbedarfs auf die Hälfte reduziert werden könnten.
Die Untersuchung zur Fußbodenkühlung hat gezeigt, dass es hier keineswegs zu Unbehaglichkeit durch die Wärmeabfuhr über den Fußboden kommt und der maximale zulässige Temperaturunterschied zwischen Kopf- und Fußhöhe eingehalten wird.
Messungen der Erdreichtemperaturen ergaben, dass zumindest nach einer Sommerperiode keine bleibende Erwärmung des Erdreichs aufgetreten ist. Mit den Erdkältesonden werden Vorlauftemperaturen von 18°C erzielt. Diese Temperatur liegt ca. 3 Grad höher als ursprünglich geplant. Bei hohen Außenlufttemperaturen musste so eine Überschreitung der Behaglichkeitsgrenze in einigen stark belasteten Räumen in Kauf genommen werden. Dieses Ergebnis muss bei zukünftigen Planungen berücksichtigt wer-den, unter Umständen erfordert dies eine andere Aufteilung der Kühllast auf Lüftung und Fußbodenkühlung.
Im Rahmen des Projektes wurden mathematische Modelle zur Simulation der Anlage erstellt, die vor allem bei der Erstellung der Vergleiche herangezogen wurden. Damit wurde auch die Grundlage für den Aufbau einer Modellbibliothek zur Modellierung von Klimaanlagen gelegt. Die Modelle wurden mit Hilfe von umfangreichen Laboruntersuchungen validiert. Um die Planung zukünftiger Anlagen zu erleichtern, wurden auf Grund der Erfahrungen mit der Demonstrationsanlage Hinweise für eine optimale Auslegung und Anwendung von thermisch betriebenen, sorptionsgestützten Klimatisierungssystemen zusammengestellt.
Auf Grund eines Besuches eines chinesischen Gastwissenschaftlers (Dr. Chaokui Qin) im Sommer 2001 in Hamburg wird in Shanghai zur Zeit eine Testanlage aufgebaut.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Über den Fortschritt des Projektes wurde auf der VDI Tagung Fortschrittliche Energiewandlung und -anwendung in Stuttgart, März 2003, vorgetragen. Das Tagungsband ist als VDI Berichte 1746 erhältlich. Veröffentlichungen in deutsche Branchenzeitschriften sind in der Vorbereitung, sowie die Veröffentlichung in einem internationalen Journal (Energy and Buildings).


Fazit

Dieses Forschungsvorhaben hat die Anwendbarkeit der thermisch betriebenen, sorptionsgestützten Klimatisierung gezeigt. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurde eine Anlage konzipiert, die eine umweltfreundliche und wirtschaftliche Klimatisierung ohne Kältemaschine ermöglicht.