Projekt 22416/01

Wissenschaftliche Begleitung des Ersteinsatzes einer Wasser/Lithiumbromid-Kleinabsorptionskältemaschine

Projektdurchführung

ILK Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH
Bertolt-Brecht-Allee 20
01309 Dresden

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Energiebedarf zur Kühlung bzw. Klimatisierung von Wohn- und Arbeitsbereichen nimmt weltweit stark zu. Gegenwärtig wird der steigende Kältebedarf im Wesentlichen durch elektrisch angetriebene Kompressionskältemaschinen gedeckt, was zu einem Anstieg der Kohlendioxidemissionen führt. Der stark ausgeprägte tageszeitliche Verlauf der benötigen Kälteleistung führt außerdem zu einer Lastspitze in der Stromversorgung, die zu einer hohen Belastung und zu Ausfällen der Stromversorgungsnetze im Sommer führt. Eine Alternative dazu ist die solarthermische Kälteerzeugung mit Absorptionskältemaschi-nen.
Ziel des Projektes ist es, die Markteinführung einer neuen Technologie im Bereich der Klimatechnik für kleine und mittlere Leistungen durch eine messtechnische Begleitung des Ersteinsatzes der vom ILK Dresden und WEGRA Anlagenbau GmbH entwickelten Kleinabsorptionskältemaschine (KAKM) zu unterstützen und deren Leistungsfähigkeit im Praxiseinsatz nachzuweisen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie KAKM kann mit beliebigen Wärmequellen über große Temperaturbereiche (Solarthermie, BHKW, Fernwärme) betrieben werden. Im Rahmen des Projektes sollen drei, bezüglich Wärmequelle und Rückkühlung verschiedenartige Systeme zur thermischen Kälteerzeugung über einen Zeitraum von 2 Jahren (Kühlperioden) messtechnisch begleitet werden. Der Einsatz folgender Wärmequellen ist vorgesehen: Flachkollektoren, Abwärme eines motorischen BHKW, ggf. Vakuumröhrenkollektoren. Zur Rückkühlung sollen marktverfügbare offene Nasskühlwerke sowie trockene Rückkühlwerke eingesetzt werden.
Die Anlagen werden messtechnisch so ausgerüstet, dass Aussagen über die erzeugten Kältemengen, über die vom BHKW bzw. der Solarthermieanlage bezogenen Wärmemengen, Temperaturniveaus der Wärmen, Wasser- bzw. Stromverbrauch des Rückkühlers usw. getroffen werden können.
Der zweite Schwerpunkt des Projekts ist die detaillierte Vermessung der KAKM innerhalb eines geeigneten Versuchsstands, um detaillierte Messwerte über den gesamten Arbeitsbereich zu gewinnen und die Auswirkungen extremer Randbedingungen beurteilen zu können.


Ergebnisse und Diskussion

Innerhalb dieses Projektes wurde die Kleinabsorptionskältemaschine Wegracal SE 15 auf einem Leis-tungsprüfstand detailliert vermessen. Die dabei gewonnenen Daten dienen als Grundlage zur Planung von Gesamtsystemen zur solaren Heizung und Kühlung bzw. zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung.
Innerhalb des zweiten Projektschwerpunktes wurden drei Demonstrationsanlagen aufgebaut und deren Betrieb wissenschaftlich begleitet. Beim Aufbau dieser Systeme konnten wie vorgesehen, verschiedene Technologien der Wärmebereitstellung, Rückkühlung und Raumkühlung umgesetzt werden.
Bei der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs-Anlage gelang es wegen hydraulischer und regelungstechnischer Probleme nicht, die potentiell hohen Heizwassertemperaturen des Blockheizkraftwerkes der Absorptionskältemaschine zur Verfügung zu stellen. Da für die Fußbodenkühlung nur relativ hohe Kaltwassertemperaturen benötigt werden, konnte die Anlage trotzdem betrieben werden, allerdings in Teillast mit max. 50 % der Nennleistung. Die hohe Verfügbarkeit der Heizwärme aus dem BHKW ermöglicht deutlich län-gere Betriebszeiten als mit solarthermischen Antrieb, was sich günstig auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
Das System mit Flachkollektoren arbeitete mit vergleichsweise niedrigen Antriebstemperaturen. Durch den offenen Verdunstungskühler wurden typische Kühlwassertemperaturen im Bereich von 27°C mit geringem Hilfsenergiebedarf bereitgestellt, was den Betrieb mit niedrigen Antriebstemperaturen ermöglichte. Da weniger Räume an die Kälteversorgung angeschlossen wurden als geplant, war der Kältebedarf in der Regel geringer als die Kälteleistung. Dies führte zu niedrigen durchschnittlichen Kaltwassertemperaturen und damit zu einem etwas geringeren Wärmeverhältnis. Durch die Nutzung eines Holzpelletkessels kann ein CO2-freies thermisches Backup realisiert werden.
Bei der dritten Anlage wurde ein trockenes Rückkühlwerk in Kombination mit Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Durch die Nutzung drehzahlvariabler Ventilatoren konnte der Strombedarf für die Rückkühlung auf ein der Verdunstungskühlung vergleichbares Niveau gesenkt werden. Die höheren Kühlwassertemperaturen können durch höhere Heizmedientemperaturen größtenteils kompensiert werden, solange nicht sehr niedrige Kaltwassertemperaturen bereitgestellt werden müssen. Damit stellt diese Kombination eine interessante Option für Regionen mit Wasserknappheit oder zur Reduzierung des Wartungsaufwan-des dar. Die direkte Beheizung der Kältemaschine mit dem Solarfluid und die Realisierung einer Notkühlung unter Nutzung des Rückkühlers haben sich bewährt.
Die Demonstrationsanlagen erzielten insgesamt gute Betriebsergebnisse. Gleichzeitig konnten wichtige Erkenntnisse zur Verbesserung der Betriebssicherheit der Anlagen und zur Optimierung der Gesamtsysteme gewonnen werden. Die Abstimmung der Systemkomponenten und deren Regelung ist eine wichtige Voraussetzung, um die angestrebten Parameter zu erreichen sowie eine hohe Effizienz und Betriebssicherheit des Gesamtsystems zu gewährleisten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse wurden sowohl vom Bewilligungsempfänger ILK Dresden als auch vom Kooperationspartner Wegra eine Reihe von Vorträgen auf Symposien, Konferenzen und Workshops gehalten.
Ergänzt wurde dies durch die Teilnahme an Messen und Ausstellungen. Die Fa. Wegra stellte die KAKM zur solaren Kühlung und KWKK, teilweise in Verbindung mit Kooperationspartnern, u. a. auf folgenden Messen aus: Intersolar 2004, 2005 und 2006; 3. und 4. Symposium Solares Kühlen in der Praxis in Stuttgart; IKK/Enkon 2005 und 2007, Solarmesse Mailand 2006.
Anlässlich der Einweihung der solarthermischen Kälteanlage am ILK Dresden wurde am 18.Juli 2006 eine Veranstaltung durchgeführt, in der die Anlage und die Technologie der solarthermischen Kälteerzeugung der interessierten Öffentlichkeit vorgestellt wurde. Mehr als 60 Teilnehmer aus Planung, Industrie und Forschung informierten sich im Rahmen eines Vortragsprogramms über aktuelle Entwicklungen aus den Bereichen Solarthermie und solarthermische und photovoltaische Kälteerzeugung.


Fazit

Die solare Kühlung im kleinen Leistungsbereich stellt eine interessante Option zur Vermeidung der durch sommerliche Nutzung von Kompressionskältemaschinen hervorgerufenen Probleme (Stromverbrauch und elektrischer Leistungsbedarf) dar und ist gleichzeitig eine sinnvolle Ergänzung solarthermischer An-lagen zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung. Die Nutzbarkeit der Absorptionskältetech-nik in Kombination mit verschiedenen Solarkollektortypen, Blockheizkraftwerken und unterschiedlichen Rückkühlsystemen konnte innerhalb des Projektes erfolgreich demonstriert werden.
Für die stärkere Nutzung dieser Technologie ist es notwendig, die Systemkosten zu senken, Standardsysteme mit aufeinander abgestimmten Komponenten zu entwickeln, Synergien zu erschließen sowie Betriebserfahrungen an Referenzanlagen in Südeuropa zu gewinnen.