Solare Kühlung

Mohamed Shaalan

Solarthermischer Prozess zur Gebäudeklimatisierung

· Einführung :

- Bei solare Kälteerzeugung und Raunkühlung wird die Sonnenenergie in andere Energieform umgewandelt, d.h. sie wird photovoltaisch in Strom oder durch Kollektoren in Wärme umgewandelt, dann wird mit Helfe von Kälteanlage zur Kälte wieder umgewandelt.

- Die solaren Kälteanlagen können zur Eisproduktion, Kälteerzeugung zur Lebensmittelerhaltung oder für medizinischen Bedarf sowie zur Klimatisierung von Gebäuden verwendet werden.

- Eine Solaranlage, die in Winter zur Heizung und in Sommer zur Kühlung benutzt werden kann, hat eine größere jährliche Nutzungsstundenzahl im Vergleich zur Anlagen, die nur zur Heizung oder Kühlung benutzt werden.

· Grund Begriffe :

1) die Kälteleistung einer Kältemaschine ( Nutzkälteleistung ) :

Die Kälteleistung einer Kältemaschine ist die Wärmestromleistung, die zu dem Kältemittel im Verdampfer zugeführt wird.

2) die Wärmeleistung des Kondensators :

Ist die Wärmestromleistung, die im Kondensator dem Kältemittel entnommen und auf das Wärmeaufnehmende Kühlmittel übertragen wird.

3) die Leistungszahl einer Kältemaschine :

Ist das Verhältnis der Nutzkälteleistung zur Antriebsleistung des Kompressors.

4) die Heizzahl einer Kompressors-Wärmepumpe :

Ist das Verhältnis der Nutzwärmeleitung ( Heizleistung ), die aus dem Kondensator durch ein Kühlmittel abgeführt wird, zur Kompressor-Antriebsleistung.

· Arten der solaren Kälteanlagen :

- solare Kompressionskälteanlagen,

- solare Absorptionskälteanlagen,

- solare Adsorptionskälteanlagen.

a) solare Kompressionskälteanlagen :

- Hauptkomponenten der Anlage:

Die Hauptkomponenten einer Kompressions-Kältemaschine sind:

1- Verdampfer (V),

2- Kompressor (Kr),

3- Kondensator (K),

4- Expansions- oder Drosselventil (D).

Schaltbild einer Kompressions-Kältemaschine

- der thermische Kreisprozess:

Kreisprozess der Kompressions-Kältemaschine

Der Kreisprozess der Kompressions-Kältemaschine erfasst vier Vorgänge der Zustandsänderung des Kältemittels:

1) Bei einer niedrigen Temperatur (T_v) und entsprechendem Druck (P_v) im Verdampfer (V) wird das Kältemittel unter Aufnahme der Wärme aus der Wärmequelle (Umgebung) isobar verdampft ( Vorgang 2-3 ).

2) Im Kompressor (Kr) wird der Kältemitteldampf unter dem Arbeitsaufwand ( W_k) isentrop auf einen höheren Druck (P_k) verdichtet ( Vorgang 3-4 ).

3) Im Kondensator (K) bei einer höheren Temperatur wird den Kältemitteldampf isobar verflüssigt. Die Kondensationswärme wird aus dem Kondensator durch ein (Kühlmittel), Z.B. Luft oder Wasser, abgeführt (Vorgang 4-1).

4) Schließend wird das Kältemittelkondensat im Expansions- oder Drosselventil (D) irreversibel auf den Verdampferdruck entspannt, dabei erfolgt bei konstanter Enthalpie eine Teilweise Verdampfung des Kältemittels (Vorgang 1-2).

- Die Energiebilanz :

Die Energiebilanz einer Kompressions-Kältemaschine lässt sich folgendermaßen aufstellen:

in ( J )

mit :-

- = Nutzwärme ( im Verdampfer ) ,

- = Arbeitsaufwand ( im Kondensator ),

- = abgeführte Wärme ( im Kondensator ).

- Die Wirkungsgrad :

Für die Wirkungsgrad einer Kältemaschine gilt:

mit :-

- = die Leistungszahl der Kältemaschine,

- = die maximale Leistungszahl im gegebenen Temperaturbereich zwischen der Verdampfer- und der Kondensatortemperatur(T_v bzw. T_k).

b) solare Absorptions-Kältemaschine :

- Als Antriebsenergie wird in Absorptions-Kältemaschine Wärme genutzt. Dabei verläuft der Kreisprozess mit einem Arbeitsstoffpaar, das aus einem Kältemittel und einem Lösungsmittel besteht.

- Die Arbeitswärme wird entweder direkt aus einem Solarkollektor oder über einem Wärmespeicher zur verfügen gestellt. Danach kann die Wärme genau an den Generator (Austreiber des Kältemitteldampfes) führen, wenn die Raumkühlung notwendig ist.

- Hauptkomponenten der Anlage :-

Die Hauptkomponenten einer Absorptions-Kältemaschine sind:

1- Austreiber oder Generator (G),

2- Absorber (A),

3- Drosselventil für Kältemittel (D) und Drosselventil für Lösungsmittel (DL),

4- Kondensator (K),

5- Verdampfer (V),

6- Pumpe (P).

Schaltbild einer solaren Absorptions-Kältemaschine

- der thermische Kreisprozess:

In einer Absorptions-Kältemaschine durchläuft ein Arbeitstoffpaar die folgenden Zustandsenderungen :-

a) Kreisprozess A :

1- Im Verdampfer (V) wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme aus einer Wärmequelle ( Umgebung ) bei der Temperatur (T_v) verdampft.

2- Der Kältemitteldampf wird nun von einer an Kältemittel verarmten (armen) Lösung im Absorber (A) bei der Temperatur (T_a) absorbiert. Die Absorptionswärme wird durch das Kühlmittel (Wasser) aus dem Absorber abgeführt.

3- Die durch die Absorption an Kältemittel angereicherte (reiche) Lösung wird weiter von der Lösungspumpe (P) über den Wärmeübertrager in den Generator (G) geführt

4- Im Generator über den Wärmeübertrager wird Wärme von der heißen armen Lösung auf die reiche Lösung übertragen.

5- Die abgekühlte arme Lösung wird in dem Lösmitteldrosselventil (DL) auf den Verdampferdruck irreversibel entspannt, und im Absorber (A) Absorbiert sie wieder das Kältemittel, so dass sich wieder die reiche Lösung bilden kann.

b) Kreisprozess B :

1- Die reiche Lösung gelangt nach dem Wärmeübertrager in dem Generator (G). Durch die Zufuhr der solaren Wärme wird die Lösung im Generator bei der höchsten verkommenden Temperatur (T_g) zum Kochen gebracht, wobei der Kältemitteldampf ausgetrieben wird. Die Lösung wandelt sich dabei wieder zu einer an Kältemittel armen Lösung.

2- Das Kältemittel wird im Kondensator (K) bei der Temperatur (T_k) kondensiert (verflüssigt), und die Kondensationswärme wird über einen Wärmeübertrager an das Kühlwasser abgegeben.

3- Das Kondensat wird dann in Kältemitteldrosselventil (D) auf den Verdampferdruck entspannt. Damit wird der Ausgangspunkt des Kreisprozesses wieder erreichen.

- Das Arbeitsstoffpaar:

- Ein Arbeitsstoffpaar für solare Absorptions-Kälteanlage besteht aus einem Kältemittel ( Arbeitsmittel ) und einem Lösungsmittel (Absorptionsmittel).

- Grundsätzlich muss ein geeignetes Lösungsmittel eine hohe Affinität für das Kältemittel und einen im Vergleich zum Kältemittel höheren Siedepunkt aufweisen, damit das Kältemittel gut absorbiert und leicht ausgetrieben werden kann. Das Kältemittel soll eine große Verdampfungsenthalpie haben, damit die erforderliche Kälteleistung mit einem geringen Massenstrom erreicht wird. Der Gefrierpunkt des Lösungsmittels sollte so niedrig sein, dass ein Einfrieren ausgeschlossen werden kann.

- Die zwei gebräuchlichsten Arbeitsstoffpaar für die solare Absorptions-Kälteanlagen sind:

1. , mit Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel. Das Paar kann bei der Generatortemperatur ( von 120 bis 150 ^oC ) arbeiten.

2. , mit Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid als Lösungsmittel uns kann bei Generatortemperatur ( von 88 bis 96 ^oC ) arbeiten.

- Energiebilanz einer Absorptions-Kältemaschine:

Die thermodynamische Analyse von Absorptions-Kältemaschinen basiert auf der folgenden Energiebilanz:

in (W)

mit :

- = Nutzkälteleistung,

- = Antriebskälteleistung des Generators,

- = Antriebsleistung der Lösungspumpe,

- = Kondenstorwärmeleistung,

- = Lösungswärmeleistung am Absorber,

- = Wärmeverlustleistung.

Ø Solare Klimaanlage mit Absorptions-Kältemaschine:

Die Kopplung einer Absorptions-Kältemaschine mit einer Solaranlage kann in verschiedenen Arten gefordert werden:

- Anlage mit geschlossenen Kreislauf ,

- Anlage mit offenen Kreislauf ,

- Periodisch betriebene solare Absorptions-Kälteanlage.

a) Anlage mit geschlossenen Kreislauf:

Diese solare Absorptions-Kälteanlage mit dem Arbeitsstoffpaar ist zur Klimatisierung von Gebäuden gut geeignet.

§ Komponente des Solarkreislaufs:

1- Flachkollektor (SK), 2- Wärmespeicher (SP),

3- Zusatzheizung, 4- Umwälzpumpe.

§ Komponente der Absorptions-Kältemaschine:

1- Generator (G), 2- Kondensator (K),

3- Drosselventil (D), 4- Verdampfer (V),

5- Wärmeübertrager (W), 6- Absorber (A).

Solare Klimaanlage mit LiBr-H₂O-Absorptionskältemaschine

§ Beschreibung des Kreislaufs:

Die Nutzkälte wird im Verdampfer erzeugt, wo das Medium (Wasser) abgekühlt und in die zu Klimatisierenden Räume weitergeleitet wird.

Mit dem Kühlwasser wird Wärme aus dem Absorber und dem Kondensator abgeführt. Mit Helfe von den Ventilen wird die Kältemaschine auf die gewünschte Heizung umgeschaltet. In der Regel liegt die Temperatur im Generator bei (88-96 ^oC ), im Kondensator bei (75 ^oC) und im Verdampfer bei (5 ^oC). Je nach Arbeitsstoffpaar und Bauart der Anlage liegt der Wirkungsgradzwischen 0,5 und 0,12.

§ Stand der Technik:

1. solare Absorptions-Kälteanlagen mit einer Kälteleistung von (10 bis 150 kw) wurden in der USA in Wohn- und Gewerbegebäuden installiert.

2. Seit 1992 wird eine Solaranlage zur Kühlung, Heizung und Warmwasserbereitung eines Hotels in Benidorm, Spanien, betrieben. Das Kollektorfeld besteht aus 328 Vakuum-Röhrenkollektoren mit einer gesamten Absorberfläche von (344,4 m²) in 47 Gruppen je 7 Module. Es ist auf dem Flachdach des 8-Stock-Hotelgebäudes angebracht. Im Winter wird solare Nutzwärme zur Beheizung des Hotels benutzt, im Sommer versorgen die Kollektoren die Absorptions-Kältemaschine mit ca. (96 ^oC) heißem Wasser. Die solare angetriebene -Kältemaschine mit einer Kälteleistung von (125 kw) liefert das auf (9 ^oC) abgekühlte Wasser an den Wasser-Luft Wärmeübertrager des Lüftungssystems, das zur Klimatisierung des Hotels benutzt wird. Der jährliche Energieverbrauch des (500 kw)-Ölkessels wurde durch die Sonnenenergienutzung um 30% gesenkt.

b) Anlage mit offenem Kreislauf:

Bei der Klimatisierung im heißen trockenen Klima wird die Luft bloß gekühlt. In Gebieten mit heißen und feuchten Klima wird die Luft zunächst entfeuchtet, Z.B. mittels eines flüssigen oder festen Trocknungsmittels, und danach gekühlt. Durch Verdampfung des im Luftstrom versprühten Wassers kühlt sich die Luft. Solare Absorptions-Klimaanlagen mit offenem Kreislauf sind billiger gegenüber Absorptions-Klimaanlagen mit geschlossenem Kreislauf. Dabei ist eine Verdampfertemperatur unter (7 ^oC) zu erreichen.

c) Periodisch betriebene solare Absorptions-Kälteanlage:

Eine Sonderart von Absorptions-Kälteanlagen wird periodisch in einem 24 Stunden-Takt betrieben. Entsprechend dem Tagesgang der Sonneneinstrahlung besteht der Kreisprozess aus Aufwärmung am Tag und Kühlung in der Nacht. So erfüllt der Solarkollektor die Funktion des Generators tagsüber und die Funktion des Absorbers in der Nacht. Dabei ist die Temperatur bis zu (-5 ^oC ) zu erreichen.

c) solare Adsorptionskühlung:

Das Arbeitsprinzip einer periodischen Adsorptions-Kühlungsanlage mit dem Stoffpaar, Z.B. (Zeolith / Wasser) wird wie im folgendem beschreiben. Bei Erhöhung der Temperatur im Solarkollektor am Tag erfolget die Desorption eines Teils des Wassers aus dem Wassergesättigten Zeolith, der sich im Solarkollektor befindet. Der Wasserdampf schlägt im Kondensator nieder, das Kondensat fließt unter der Schwerkraft in den Verdampfer im isolierten kosten. Dort befindet sich das zu kühlende Material, Z.B. Arzneimittel. Nacht erfolgt die Verdampfung des Wassers mit Wärmeentnahme aus dem Kostensinnern, so das die Temperatur im Kosten unter (0 ^oC) sinken kann. Der Dampf wird im Kollektor vom Zeolith adsorbiert. Zum Umschaltung für die Tag- bzw. Nachtbetriebsweise dient ein Ventil.

Solarer Absorptionskühler für Arzneimittel:

1- Solarkollektor mit Zeolith; 2- Kondensator; 3- Verdampfer;

4- Kühlkammer mit Wärmedämmung; 5- Deckel; 6- Arzneimittel; 7- Drosselventil

Ø Passive Kühlung von Gebäuden:

Gegen das heiße und trockene Klima des Nahen Osten wird in Ägypten seit Jahrtausenden das so genante (Malqaf) zur Kühlung verwendet. Dies ist ein kleiner Windfangturm, der einige Meter über das Hausdach steht. Der kühle Luftstrom wird ins Hausinnere geleitet. Dort bestreitet er oft noch Wasserbecken in der Hausinnen und durch die Verdunstung wird die Abkühlung verstärkt. Durch eine Dacherhöhung auf der Leeseite, wo der Wind unterdruck erzeugt, zieht die erwärmte Luft wieder ab. Zur Verbesserung wird in dem Turm Wasser versprüht, dessen Verdunstungswärme die Luft abkühlt und anfeuchtet. Vor allem nachts kühlt die eingefangene kühle Luft das dicke, als Wärmespeicher wirkende Mauerwerk des Hauses.

Malqafsystem zur Kühlung eines Gebäudes

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Literatur:

· Khartchenko,Nikolai. V.:Thermische Solaranlagen. Springer-Verlag, 1995,

· Henning,Hans-Martin: Tagung „Solares Kühlen“ Wirtschaftskammer Österreich, Wien, 7. Mai 2004