Projekt 21160/01

Entwicklung eines thermisch betriebenen Klimatisierungssystems für Ein- und Zweifamilienhäuser

Projektdurchführung

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

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Nachfrage nach Klimaanlagen im Ein- und Zweifamilienhausbereich ist in den letzten Jahren aufgrund von erhöhten Komfortansprüchen, aber auch aufgrund einer verbesserten Wärmedämmung und dichteren Gebäudehüllen stetig gestiegen. In dem Forschungsvorhaben wurden daher die Möglichkeiten einer umweltverträglichen Klimatisierung von kleinen Wohngebäuden untersucht. Die Grundidee des Vorhabens ist es, die Luft mit Hilfe von Sorptionsmaterialien zu trocknen, sodass die Luft nur noch auf Zulufttemperatur abgekühlt werden muss. Dafür reicht das Temperaturniveau von natürlichen Kältequellen wie z. B. das Erdreich aus. Die Sorptionsmaterialien wie Lithium-Chlorid müssen mit Wärme regeneriert werden, dafür kann Solarenergie eingesetzt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden- Entwicklung von Simulationsmodellen auf der Basis Dymola/Modelica und Matlab/Simulink
- Konstruktion und Bau eines Prototyps eines kompakten Lüftungs- und Klimatisierungsgerätes
- Planung und Bau einer Demonstrationsanlage in einem Einfamilienhaus in Rendsburg
- Messtechnische Begleitung über eine Sommerperiode
- Auswertung der Messergebnisse
- Primärenergetische und wirtschaftliche Bewertung des Klimatisierungskonzeptes.


Ergebnisse und Diskussion

Es konnte nachgewiesen werden, dass die sorptionsgestützte Klimatisierung in Verbindung mit Erdreichwärmeübertragern im Prinzip geeignet ist, für kleine Gebäude eine ausreichende Klimatisierung im Sommer sicherzustellen. Der Kältebedarf des neu errichteten Niedrigenergiehauses, also die Kühllast, war allerdings an bestimmten Sommertagen so hoch, dass die Zulufttemperatur nicht immer unter 26°C gehalten werden konnte. Das entwickelte Lüftungsgerät muss auch noch weiter verbessert werden. So zeigte sich, dass es am Rotor zu einem Überströmen der Zuluft in die Abluft kam. Die Wärmeübertrager wurden nicht optimal angeströmt, sodass nicht die nominelle Übertragungsleistung erreicht wurde. Generell ist daher bei dem entwickelten Gerät noch eine grundlegende strömungstechnische Optimierung notwendig.
Mithilfe eines an den vorhandenen Messdaten kalibrierten, dynamischen Simulationsmodells auf der Basis von Modelica/Dymola wurde für 2 Testreferenzjahre der primärenergetisch umgerechnete Energiemehrbedarf für die Klimatisierung berechnet, wobei von einer optimalen Reglerkonfiguration ausgegangen wurde. Dieser Primärenergiemehrbedarf beträgt etwa 4 kWh/m²a und entsteht u.a. dadurch, dass in Zeiten ohne Solarenergieangebot die Wärme zur Regeneration des Sorptionsrades durch andere Wär-meerzeuger wie z. B. einem Brennwertkessel bereitgestellt werden muss. Der Primärenergiebedarf für ein Niedrigenergiehaus würde sich damit durch die Klimatisierung um etwa 10% erhöhen. Der Primärenergiebedarf eines konventionellen Klimatisierungssystem wäre mindestens doppelt so hoch gewesen. Ein Schlüsselproblem ist die Regelungstechnik, da viele Anlagenkomponenten (Solarkollektoren, Pufferspeicher, Brennwertkessel, Erdreichsonden) zusammenarbeiten müssen. Hier sind ebenfalls noch weitere Optimierungen möglich. So war z. B. der Warmwasserverbrauch stark diskontinuierlich und konzentrierte sich oft auf die Morgenstunden. In dieser Zeit musste zur Regeneration des Sorptionsrades die Wärme durch den Brennwertkessel bereitgestellt werden. Durch eine verbesserte Speichersteuerung könnte mehr Solarenergie genutzt werden. Vorteilhaft bei einem sorptionsgestützten System ist der Umstand, dass eine Entfeuchtung nur an bestimmten Tagen notwendig ist. Eine konventionelle Klimaanlage muss für den ungünstigsten Fall ausgelegt werden, d. h. die Luft wird immer auf unter 12°C abgekühlt. Bei einem sorptionsgestützten System wird an den Tagen, an denen keine Entfeuchtung notwendig ist, die Regenerationswärme abgeschaltet und die Luft einfach nur abgekühlt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Teilergebnisse wurden bereits auf folgenden Tagungen vorgestellt:
- Schmitz, G.: Umweltverträglich Klimatisieren - ein Widerspruch?, ZEBAU Anwenderforum, Handwerkskammer Hamburg, 15.2.2006
- Schmitz, G.: Bau und Betrieb einer sorptionsgestützten Klimaanlage , VDI-Tage der Gebäudetechnik, 1.2.2006
- Qin, C.; Schmitz, G.: Engine driven desiccant-assisted hybrid air-conditioning system Proceedings of the 23rd World Gas Conference, 5.-9.6.2006 Amsterdam, paper 5.3EF.23
Es wurde ein Beitrag zum 22. Internationalen Congress of Refrigeration vom 21.8.-26.8.2007 in Peking eingereicht.
Zeitschriftenaufsätze sind in Vorbereitung.


Fazit

Durch Nutzung natürlicher Wärmequellen (Solarenergie) und Wärmesenken (Erdreichkühlung) kann weitgehend eine natürliche Klimatisierung realisiert werden.