Projekt 14890/01

Kühlkreislauf mit passiver Kälteerzeugung durch Strahlungskühlung

Projektdurchführung

Bayerisches Zentrum für angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern)
Am Hubland
97074 Würzburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Experimentiergebäude des ZAE Bayern in Würzburg enthält einen Kühlwasserkreislauf (Primärkreislauf) zur Kühlung von Apparaturen und Laborräume mittels Kühldecken. Die Kälteerzeugung erfolgte bisher konventionell mit einer Kompressionskältemaschine mit entsprechend hohem Primärenergieverbrauch. In diesem Projekt wurde das Konzept der passiven Kälteerzeugung durch Strahlungskühlung getestet: Eine Zisterne dient als Kühlwasserspeicher. Zur Rückkühlung wird das Zisternenwasser nachts über das Dach geleitet, wo über Wärmestrahlung, Verdunstung und Konvektion eine passive Abkühlung erfolgt. Die energieaufwändige Kältemaschine kann entfallen. Das Zisternenwasser kann auch als Brauchwasser (z. B. für WC-Spülung) verwendet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas passive Kühlsystem, bestehend aus Zisterne, Sekundärkreislauf (einschließlich Wärmetauscher zum Primärkreislauf) sowie Rückkühlkreislauf mit Dachberieselung wurde geplant und aufgebaut. Messtechnik (Temperatursensoren, Volumenstromzähler, usw.) wurde installiert. Nach Probeläufen zur Über-prüfung der einwandfreien Funktion und Datenerfassung wurde das System zwei Jahre lang vermessen, ausgewertet und optimiert.
Zur effizienten Nutzung von Vorlauftemperaturen um 20°C wurden Kühldecken durch Einbau von Ventilatoren (erzwungene Konvektion) modifiziert (Fa. ZENT-FRENGER) und vermessen.
Um Aussagen zu den Einsatzmöglichkeiten der Kälteerzeugung durch Strahlungskühlung machen zu können, wurde ein physikalisches Modell entwickelt und theoretische Studien zur Optimierung der passiven Kühlung durchgeführt. Weiterhin wurde ein TRNSYS-Modul erstellt (Fa. DS-Plan). Damit kann das passive Kühlsystem in Gebäudesimulationen integriert und die Übertragbarkeit auf andere Gebäude und Anwendungszwecke untersucht werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die passive Kühlanlage im ZAE-Gebäude ist seit Juli 2000 in Betrieb. Die Auswertung der Messdaten ergab: Durchschnittliche gemessene Werte für die spezifische Kühlleistung liegen zwischen 70 - 100 W/m² im Sommer und über 200 W/m² im Winter. Das wichtigste Ergebnis im Hinblick auf die Umweltrelevanz der Anlage ist das Erreichen von Güteziffern von 20 und größer. Damit können passive Kühlanlagen deutlich effektiver arbeiten als z. B. herkömmliche Kompressionskältemaschinen. Allerdings muss die Anlage richtig ausgelegt und vor allem effektive Umwälzpumpen eingesetzt werden.
Die Umwälzpumpen wurden in Schächten neben der Zisterne installiert, um zu vermeiden, dass die Pumpenabwärme ebenfalls als Kühllast in die Zisterne eingetragen wird, was bei Verwendung von Tauchpumpen der Fall wäre. Dies führte jedoch mehrfach zu Wasserschäden (aufgrund schlechter Ver-bindungsleitungen) und längeren Betriebsunterbrechungen, hat sich also nicht bewährt. Es ist daher unbedingt darauf zu achten, die Anlagentechnik absolut wasserfest auszuführen.
Der Geotex-Filter zwischen Dachrinnen-Rücklauf und Zisterne hat sich bewährt, er war allerdings regelmäßig im Frühsommer durch Blütenpollen und -staub verstopft, und musste gereinigt werden. Dies konnte durch Waschen in einer Reinigungsfirma geschehen. Es ist zu empfehlen, den Filter etwa ein bis zweimal im Jahr zur reinigen (Wartungsmaßnahme). Hier könnte untersucht werden, ob andere Filter-techniken (besser) geeignet sind.
Durch die recht gute Filterwirkung (Partikel bis 50µm werden gefiltert) und die Erneuerung des gesamten Zisterneninhalts ca. alle 2-3 Monate (aufgrund von Niederschlag) wurde auf eine mikrobiologische Untersuchung des Zisternenwassers verzichtet, zumal auch keine Grauwassernutzung (WC-Spülung) realisiert wurde. Das Zisternenwasser ist glasklar und geruchsneutral.
Mit dem physikalischen Modell können die Kühleffekte gut simuliert werden. Damit können auch Auss-gen zur Optimierung der Anlage getroffen werden. Auf der Grundlage dieses Modells wurde ein TRNSYS-Modul entwickelt. Damit kann die passive Kühlanlage mit beliebigen Gebäudekonzepten kom-biniert und simuliert werden. Es wurde gezeigt, dass der Kühlbedarf eines Bürogebäudes mit Bauteilkühlung (Betonkerntemperierung) zu über 95 % gedeckt werden kann.
Zur Verbesserung der Kühlleistung von Kühldecken wurden von ZENT-FRENGER neuentwickelte modifizierte Kühldeckenmodule geliefert und eingebaut. Dabei wird zusätzlich aktiv Luft von oben durch die Kühlbleche geblasen wird, um die konvektive Wärmeübertragung zu erhöhen. Die Kühlleistung der Kühl-decke ließ sich mit diesem modifizierten System um ca. 70 % steigern, allerdings sank dadurch die Güteziffer von ca. 30 auf ca. 4. Vorteil des Systems ist aber, dass man großflächig und damit zugfrei kühle Luft in den Raum einbringen kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· Matthias Schäfer, Dietrich Büttner, Jochen Fricke, Passiver Kühlkreislauf mit Kälteerzeugung durch Strahlungskühlung, Arbeitskreis Energie (AKE), DPG-Frühjahrstagung 2002, Leipzig
· Matthias Schäfer, Dietrich Büttner, Andreas Beck, Jochen Fricke, Rainwater Storage For Passive Cooling Of Water By Radiation, World Renewable Energy Congress VII, (WREC VII) 29.06. - 05.07.2002, Köln, Posterpräsentation
· Tätigkeitsberichte ZAE Bayern, Jahre 2000 - 2002


Fazit

Das Konzept der passiven Kühlung durch Strahlung, Konvektion und Verdunstung hat sich bewährt. Es sollte in weiteren Anlagen getestet werden. Dabei sollte auf kostengünstige, aber solide Anlagentechnik geachtet werden. Zur Optimierung der Güteziffer sollten Pumpen mit gutem Wirkungsgrad eingesetzt werden. Zu untersuchen wäre, welche Güteziffern mit Tauchpumpen in der Zisterne zu erreichen sind.
Um die Investitionskosten zu senken, sollten Synergieeffekte genutzt werden: z. B. Nutzung der Zisterne als Kältespeicher und als Grauwasserspeicher, Nutzung von vorhandenen Wasserspeichern (Feuerlöschteiche, Sprinkleranlagen,...). Die passive Kühlung ist um so effizienter, je höher die Temperatur des Kühlwassers sein darf. Daher sollte nicht nur an (Büro-)Gebäudekühlung gedacht werden. Technische Anlagen und Maschinen, bei denen Abwärme weggekühlt werden muss, die Temperatur aber deutlich über 20 °C sein darf, könnten sehr effektiv gekühlt werden.