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Grundlagen Solarthermie und Solare Kühlung Abstract / Zusammenfassung des Lernfelds Durch die Technologie der Solarthermie kann mit Sonnenenergie Wärme für Wohngebäude oder für industrielle Anwendungen nutzbar gemacht werden. In diesem Lernfeld wird die Funktionsweise einer solarthermischen Anlage erklärt, die Komponenten eines Solarsystems werden im Detail beschrieben, unterschiedliche Kollektortypen, Speicher und Anlagentypen werden verglichen. Die solare Kühlung als spezielle Anwendung nutzt Solarenergie für die Bereitstellung von Kälte. Auch dafür werden verschiedene Systemarten erklärt und verglichen. Zusätzlich wird dargestellt, welche Kriterien bei der Planung von solarthermischen Anlagen und solaren Kühlanlagen berücksichtigt werden müssen. 1 Inhaltsverzeichnis 1. LERNZIELE ..................................................................................................................................... 4 2. ZUM NACHDENKEN ... .................................................................................................................. 4 3. EINLEITUNG ................................................................................................................................... 5 4. WIE FUNKTIONIERT EINE THERMISCHE SOLARANLAGE? .................................................... 6 4.1. Zum Üben... ............................................................................................................. 7 5. WAS SIND DIE KOMPONENTEN EINER SOLARTHERMISCHEN ANLAGE? ........................... 8 5.1. Solarkollektoren ....................................................................................................... 8 5.1.1. Welche Kollektoren stehen zur Verfügung? ...................................................... 9 5.1.2. Flachkollektoren ..............................................................................................10 5.1.3. Vakuumröhrenkollektoren ...............................................................................10 5.1.4. Luftkollektoren .................................................................................................11 5.1.5. Hybridkollektoren ............................................................................................12 5.2. Welche Wärmespeicher sind für ein solarthermisches System geeignet? ...............12 5.2.1. Kurzzeitspeicher ..............................................................................................12 5.2.2. Langzeitspeicher .............................................................................................14 5.3. Zum Üben... ............................................................................................................14 6. WIRKUNGSGRADE ...................................................................................................................... 15 6.1. Kenngrößen von Kollektoren ...................................................................................15 6.2. Zum Üben... ............................................................................................................16 7. WIE WIRD EINE THERMISCHE SOLARANLAGE GEPLANT? ................................................. 17 7.1. Systemeffizienzsteigerung in der Planungs- und Umsetzungsphase .......................17 8. WELCHE ANWENDUNGSGEBIETE UND ANLAGENTYPEN GIBT ES? .................................. 18 8.1. Warmwasserbereitung ............................................................................................18 8.2. Kombianlagen zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung ...................20 8.3. Systeme mit Luft/Wasser-Hybridkollektor ................................................................20 8.4. Solare Nah- und Fernwärme ...................................................................................21 8.5. Solarwärme für gewerbliche und industrielle Anwendungen....................................21 8.6. Zum Üben... ............................................................................................................23 2 8.7. Anlagen zum solaren Kühlen und Klimatisieren ......................................................22 9. WELCHES FUNKTIONSPRINZIP LIEGT DER SOLAREN KÜHLUNG ZUGRUNDE? .............. 23 9.1. Absorptionskälteanlagen .........................................................................................25 9.2. Adsorptionskälteanlagen .........................................................................................28 9.3. Sorptionsgestützte Klimatisierung ...........................................................................30 9.4. Zum Üben... ............................................................................................................31 10. PLANUNG UND DIMENSIONIERUNG SOLARER KÜHLANLAGEN ..................................... 33 10.1. Innere Kühllast ........................................................................................................33 10.2. Äußere Lasten ........................................................................................................34 10.3. Zum Üben... ............................................................................................................37 11. KÄLTEABGABESYSTEME ...................................................................................................... 38 11.1. Zum Üben... ............................................................................................................39 12. AUSBLICK ................................................................................................................................ 40 13. QUELLEN .................................................................................................................................. 41 14. ÜBERSICHT AUFGABEN ........................................................................................................ 43 15. ABBILDUNGSVERZEICHNIS .................................................................................................. 45 16. TABELLENVERZEICHNIS ....................................................................................................... 46 17. IMPRESSUM ............................................................................................................................. 47 3 1. Lernziele Anwendungsmöglichkeiten der Solarthermie aufzählen Funktionsweise einer Solaranlage erklären Kollektortypen vergleichen und Vor- und Nachteile benennen Unterschied zwischen konventioneller Kühlung und solarthermischer Kühlung erklären Funktionsweise der in der solaren Kühlung eingesetzten Sorptionstechnik erklären Planungskriterien für solare Anlagen anwenden 2. Zum Nachdenken ... Aufgabe 1: Welche Möglichkeiten, die Sonnenenergie technologisch zu nutzen, kennen Sie bereits? Abbildung 1: Die Sonnenenergie ist mittlerweile für Anwendungen nutzbar, die früher undenkbar gewesen wären (Quelle: Stefan Prokupek, GrAT) 4 3. Einleitung Die Solarthermie beruht auf der Energieumwandlung von kurzwelliger Solarstrahlung in thermische Energie. Das Funktionsprinzip einer solarthermischen Anlage ist folgendes: Solare Strahlung wird von einem Absorbermaterial, meist Metallen wie Kupfer und Aluminium, absorbiert und dabei in Wärme umgewandelt. Die erzeugte thermische Energie wird über Wärmeleitung an ein in Rohren zirkulierendes Wärmeüberträgermedium abgeführt. Das Wärmeträgermedium wird somit bei Durchströmen des Kollektors erhitzt und danach einem Speicher zugeführt, damit Warmwasser auch zu Zeiten zur Verfügung steht, in denen keine Solarstrahlung vorhanden ist. Diese Art, Wärme zu gewinnen, ist geeignet für Einfamilienhäuser oder im Falle von größeren Kollektorfeldern für die Einspeisung in ein Nahwärme- oder Fernwärmenetz sowie für solare Prozesswärme und solare Kühlung. Die häufigste Anwendung liegt nach wie vor im privaten Bereich, mit typischen Kollektorflächen von 6 m2 für Solaranlagen zur Warmwasserbereitung und 15 bis 20 m2 für Kombianlagen (in Einfamilienwohnhäusern). Mit diesen Anlagen werden normalerweise 40 bis 80 % des jährlichen Warmwasserbedarfs gedeckt. Ende 2010 waren in Österreich circa 4,5 Mio. Quadratmeter Solarkollektoren mit einer Gesamtleistung von 3.191 MWth installiert. (Weiss/Eberl 2011) 5 4. Wie funktioniert eine thermische Solaranlage? Grundprinzip der Solarthermie ist die Umwandlung von solarer Strahlungsenergie in Wärmeenergie (thermische Energie). In einem Solarkollektor wird ein Wärmeträgermedium (meist Wasser mit Frostschutzmittel) durch die Sonneneinstrahlung erhitzt. Über dieses flüssige Wärmemedium wird Wärme zu einem Wärmeübertrager (Wärmetauscher) im Gebäude transportiert, wo Wasser für die Warmwasserbereitstellung oder zur Heizungsunterstützung erhitzt wird. Das Wärmeträgermedium zirkuliert zwischen dem Kollektor und dem Wärmeübertrager bzw. dem Speicher. Diese haben die Funktion einer Zwischenspeicherung von Nutzenergie (Wärme). Abbildung 2: System einer Solaranlage mit einem zusätzlichen Heizkessel (bivalentes System) (Quelle: GrAT) Ein Solarregler schaltet eine Umwälzpumpe ein, sobald die Temperatur, die am Kollektor gemessen wird, jene im Wärmespeicher übersteigt. Dann wird mit dem Wärmeträgermedium die Wärme vom Kollektor in den Warmwasserspeicher transportiert. 6 Abbildung 3: Solarkreislauf (Quelle: Kino; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Solarkreis.PNG&filetimestamp=20080525114449) 4.1. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 2: Erklären Sie das Funktionsprinzip einer Solaranlage. 7 5. Was sind die Komponenten einer solarthermischen Anlage? Die Hauptsystemkomponenten einer solarthermischen Anlage sind die Solarkollektoren, das Wärmeträgermedium, ein Wärmeübertrager (Wärmetauscher), ein Wärmespeicher sowie Leitungen und Regelungstechnik (Solarregler, Temperaturfühler, Umwälzpumpe). Wenn die solarthermische Anlage nicht ausreicht, um das Haus zu beheizen, kann das System mit einem zusätzlichen Heizsystem kombiniert werden. Im Falle einer solaren Kühlung wird das System mit einer Sorptionskältemaschine bzw. Lüftungsanlage und einem Kälteabgabesystem kombiniert. 5.1. Solarkollektoren Zentrales Element einer solarthermischen Anlage ist der Kollektor. Dieser besteht aus einem Absorber, einer Abdeckung (meistens aus Glas) sowie einem Rahmen mit Wärmedämmung. Abbildung 4: Aufbau eines Flachkollektors (Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Sonnenlichtkollektor.png&filetimestamp=20040725145 740) Der Absorber hat die Funktion, die Sonnenenergie aufzunehmen und in Wärme umzuwandeln. Die Leistungsfähigkeit und der Wirkungsgrad hängen von den Eigenschaften des Absorbers ab. Der Absorber besteht bei Flachkollektoren aus Metallstreifen oder einem vollflächigem Metallblech, die selektiv beschichtet sind. Die sogenannte selektive Beschichtung bewirkt, dass der Absorber bestimmte Wellenlängen, nämlich die kurzwellige Solarstrahlung, effektiv aufnimmt (absorbiert) und hingegen die langwellige Wärmestrahlung im Infrarotbereich in möglichst geringem Ausmaß wieder abstrahlt (emittiert). 8 Der Absorptionsgrad gibt an, wie viel an Solarstrahlung aufgenommen wird, der Emissionsgrad zeigt den Anteil der Wärmestrahlung, der wieder abgegeben wird. Bis zu 95 % der Solarstrahlung können durch selektiv beschichtete Absorber aufgenommen werden, während nur bis circa 5 % Wärmestrahlung abgestrahlt (Emissivität) werden. Häufigste Materialien für den Absorber sind Kupfer und Aluminium. Aluminium wird erst wieder verstärkt verwendet, seitdem der Kupferpreis gestiegen ist. Das Problem bei der Verwendung von Aluminium ist, dass es zu „Mischinstallationen“ zwischen Kupferrohren und Aluminiumblech kommt und unerwünschte chemische Reaktionen auftreten können. In diesen Fällen müssen spezielle Wärmeträgermedien eingesetzt werden. 5.1.1. Welche Kollektoren stehen zur Verfügung? Für solarthermische Anwendungen sind unterschiedliche Kollektortypen bis hin zu Hybridkollektoren am Markt erhältlich. In fast allen Fällen werden derzeit aber unter anderem aus Kostengründen verglaste Flachkollektoren installiert. 2010 waren das in Österreich rund 94 %, während nur etwa 4 % Vakuumröhrenkollektoren installiert wurden, die restlichen zwei Prozent waren Luftkollektoren und unverglaste Flachkollektoren für die Schwimmbaderwärmung. (Weiss/Eberl 2011) Abbildung 5: Verschiedene Kollektortypen (Quelle: B.R. Kasper, B. Weyres-Borchert et al., Leitfaden Solarthermische Anlagen, 8. Auflage, DGS LV Berlin_Hamburg, ISBN 978 3 00 025562 5) 9 5.1.2. Flachkollektoren Flachkollektoren bestehen aus einem Gehäuse mit Wärmedämmung und einer Glasabdeckung. In diesem Gehäuse liegt der Absorber. Ist der Zwischenraum zwischen Absorberfläche und Abdeckglas evakuiert, spricht man von einem Vakuum-Flachkollektor. Flachkollektoren eignen sich gut für die Fassadenmontage, wo sie eine zusätzliche Wärmedämmschicht und ein Gestaltungselement darstellen. Bei der Montage ist allerdings darauf zu achten, dass Wärmebrücken vermieden werden. Für spezielle Anwendungen wie die industrielle Prozesswärme oder die solare Klimatisierung erreichen Flachkollektoren noch keine zufriedenstellenden Wirkungsgrade. Es wird daher daran geforscht, ihre Leistungsfähigkeit gezielt für den Betrieb bei hohen Temperaturen zu steigern. Für eine Zusammenstellung von Forschungsprojekten zum Thema Solarthermie und unter anderem zur Kollektorforschung siehe: http://www.ffg.at/sites/default/files/allgemeine_downloads/solarthermie.pdf Abbildung 6: Flachkollektor (Quelle: B.R. Kasper, B. Weyres-Borchert et al., Leitfaden Solarthermische Anlagen, 8. Auflage, DGS LV Berlin_Hamburg, ISBN 978 3 00 025562 5) 5.1.3. Vakuumröhrenkollektoren Vakuumröhrenkollektoren bestehen in der Regel aus zwei ineinanderliegenden Glasröhren, wobei die innere Röhre selektiv beschichtet ist. Durch das Vakuum werden Wärmeverluste weitgehend verhindert. Sie haben durch das Vakuum eine zusätzlich wärmedämmende Wirkung. Zusätzlich können noch Spiegelflächen (integriert oder extern) den Nutzungsgrad erhöhen. Diese sogenannten konzentrierenden Kollektoren erreichen bei gleicher Absorberfläche höhere Temperaturen, da durch die gezielt positionierten gekrümmten Spiegel mehr 10 Solarstrahlung auf die gleiche Absorberfläche trifft. Dieser Vorteil kann allerdings bei diffuser Strahlung nicht genutzt werden, da nur gerichtete Strahlen konzentriert werden können. Nach der Form der Spiegel unterscheidet man zwischen CPC-Kollektoren (compound parabolic concentrator) und OPC-Kollektoren (optimized parabolic collector). Am Markt sind auch Produkte erhältlich, deren Röhren durch Drehen an die Solarstrahlung angepasst werden können, damit eine hohe Effizienz des Kollektors auch bei einem flachen oder steilen Neigungswinkel gegeben ist. Abbildung 7: Aufbau eines Vakuumröhrenkollektors (Quelle: RaBoe/Floh1992; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Vakuumroehrenkollektor_aufbau.png&filetimestamp=20 090214125700) 5.1.4. Luftkollektoren Luftkollektoren nutzen Luft als Wärmeträgermedium. Die Sonnenenergie wird über die Absorber in Form von Wärmeenergie an die innen strömende Luft weitergeleitet. Abbildung 8: Gebäude mit Luftkollektoren (Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Luftkollektor_2010-by-RaBoe-02.jpg) 11 5.1.5. Hybridkollektoren Hybridkollektoren sind relativ neu am Markt und wurden auf Basis thermischer Kollektoren entwickelt. Sie erzeugen nicht nur Wärme, sondern mithilfe von Photovoltaikzellen auch Strom. Verwendet werden sie bei komplexeren solarthermischen Anwendungen. Hybridkollektoren eignen sich gut für die Kombination mit Wärmepumpen. Ein großer Vorteil ist laut Hersteller, dass die Photovoltaikzellen aufgrund der Ableitung der Wärme bei erhöhtem Wirkungsgrad arbeiten. (Quelle: http://www.energieweb.at/hybrid-kollektoren-aufder-intersolar/827144/) Welcher Kollektortyp letzten Endes der geeignetste ist, hängt vom Platzangebot, der geplanten Anwendung, der Art der Integration in das Gebäude sowie der Klimazone, das heißt dem Strahlungsangebot, ab. Für die Auswahl des Kollektors wird der zu erzielende Ertrag – neben dem Platzangebot – ausschlaggebend sein. 5.2. Welche Wärmespeicher sind für ein solarthermisches System geeignet? In einem solarthermischen System haben Speicher die Funktion einer Zwischenspeicherung von Nutzenergie (Wärme), denn das Energieangebot der Sonne ist nicht beeinflussbar und stimmt nicht immer mit Zeit und Ausmaß des Wärme- und Kühlbedarfs überein. In jedem Fall müssen Speicher so ausgestattet sein, dass die Wärmeverluste möglichst gering sind. Dazu werden sie mit einer Wärmedämmschicht ummantelt. Effiziente Wärmespeicher (inkl. Bodenisolierung und richtiger Ausführung der Anschlüsse) sollen die Wärme mehrere Tage speichern können. Neben der hohen Wärmespeicherkapazität müssen sie auch folgende Kriterien aufweisen: hohe Dichte, keine Toxizität, keine Feuerbzw. Explosionsgefahr, keine korrodierenden Eigenschaften sowie eine Eignung für den betreffenden Temperaturbereich. (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H. 2007) Speicher können monovalent geführt werden, das bedeutet, dass sie nur durch eine einzige Energiequelle aufgeheizt werden, oder bivalent, dann wird mit einem zusätzlichen Heizsystem geheizt, wenn die Sonneneinstrahlung nicht ausreicht. Je nach Anwendung ist eine der beiden Speicherarten vorzuziehen. Wärmespeicher können nach der Art der Be- und Entladung sowie der Speicherdauer (Kurzoder Langzeitspeicher) unterschieden werden. 5.2.1. Kurzzeitspeicher 5.2.1.1. Kombispeicher Kombispeicher werden genutzt, um Wärme für Heizung und Warmwasserbereitung zu speichern. Meistens ist im Speicher ein kleinerer Warmwasserspeicher integriert, der durch das umgebende heiße Wasser erwärmt wird. 12 Abbildung 9: Kombispeicher (Quelle: B.R. Kasper, B. Weyres-Borchert et al., Leitfaden Solarthermische Anlagen, 8. Auflage, DGS LV Berlin_Hamburg, ISBN 978 3 00 025562 5) 5.2.1.2. Solar-Pufferspeicher Pufferspeicher sind vor allem dann sinnvoll, wenn Schwankungen im Angebot ausgeglichen werden sollen. Als Speichermedium wird Wasser eingesetzt. Der einfache Pufferspeicher wird sehr oft eingesetzt, allerdings bilden sich im Inneren des Speichers konvektive Strömungen, die zu leichten Verlusten und zu einer niedrigeren Temperatur führen. In sogenannten Schichtspeichern wird diese Konvektion vermieden. Dabei wird Wasser in Schichten mit unterschiedlichen Temperaturen gespeichert. Das Wasser mit der höchsten Temperatur wird am höchsten Punkt des Speichers entnommen. Allerdings ist der Einsatz des Schichtspeichers nur sinnvoll, wenn das Be- und Entladen langsam vor sich geht, da sonst die Schichtungen durchmischt würden. 5.2.1.3. Latentwärmespeicher Latentwärmespeicher nutzen die Energie, die einem Stoff zu- oder abgeführt werden muss, wenn dieser einen Phasenwechsel (meist von fest zu flüssig) erfährt. Durch diese Technik entstehen sehr hohe Energiedichten auf einem bestimmten Temperaturniveau. Durch das Einbinden eines Latentwärmespeichers in das Heizungssystem kann eine effiziente Nutzung der zur Verfügung gestellten Energie erreicht werden, indem beispielsweise die Speicherverluste aufgrund der niedrigen Speichertemperaturen gesenkt werden können. Sinnvoll ist ihr Einsatz dann, wenn die Vorlauftemperatur circa 35 °C erreicht, wie das bei energieeffizienten Gebäuden der Fall ist. Eine Möglichkeit der effizienten Nutzung der zur Verfügung gestellten Energie ist durch das Einbinden eines Latentwärmespeichers in das Heizungssystem gegeben. (Leonhardt/Müller 2010) 13 5.2.1.4. Sorptionsspeicher Sorptionsspeicher nutzen den Effekt, dass einem Stoff, der ein Gas ab- oder adsorbiert, Energie entnommen werden kann und im Umkehrfall Energie zugeführt werden muss, um eine Desorption zu erreichen. 5.2.2. Langzeitspeicher Jahreszeitenspeicher, welche zum Beispiel die Wärmeversorgung einer Wohnsiedlung decken sollen und von thermischen Solaranlagen gespeist werden, müssen nach anderen anlagenspezifischen Kriterien dimensioniert werden. Über das Nahwärmenetz (erdverlegte gedämmte Rohrleitungen) werden die einzelnen Verbraucher an diese Speicher angeschlossen. Die Verwendung von Langzeitspeichern ist noch nicht wirtschaftlich. Während Kurzzeitspeicher verbreitet sind, hat sich die Speicherung über längere Zeiträume vor allem wegen der hohen Investitionskosten nochnicht durchgesetzt. Möglich ist auch die unterirdische Energiespeicherung. Ein Beispiel sind ErdsondenWärmespeicher, die das oberflächliche Erdreich bzw. die Gesteinsschichten in Tiefen von 20 bis 100 Metern als Speichermedium erschließen. (Lenz et al. 2010) 5.3. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 3: Wozu dient die selektive Beschichtung bei einem Solarkollektor? Aufgabe 4: Welche Unterschiede bestehen zwischen Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren? Aufgabe 5: Worin unterscheiden sich Luftkollektoren wesentlich von Flachkollektoren? 14 6. Wirkungsgrade Energieumwandlungen bedeuten immer auch Verluste. Der Wirkungsgrad (η) beschreibt, wie viel der eingesetzten Energie, bei dieser Technologie die zur Verfügung stehende Strahlungsenergie, über einen bestimmten Zeitraum in Wärme umgewandelt und auch genutzt werden kann. η = Nutzenergie / eingesetzte Energie Der Wirkungsgrad einer Solaranlage liegt bei ~ 50 %. Entscheidend ist bei solarthermischen Anlagen der Wirkungsgrad der Kollektoren. Der maximale Wirkungsgrad der Kollektoren liegt mittlerweile bereits bei über 80 %. 6.1. Kenngrößen von Kollektoren Der Kollektorwirkungsgrad gibt das Verhältnis der vom Kollektor erzeugten Wärmeleistung zur solaren Strahlungsleistung an. Der Wirkungsgrad ist von Umgebungsbedingungen, Einsatzart und Betriebsparametern abhängig. Ein geringerer Kollektorwirkungsgrad kann je nach Region durch eine höhere Einstrahlungsleistung sowie eine höhere Umgebungstemperatur kompensiert werden. Mit der Kollektorkennlinie (Wirkungsgrad-Kennlinie) wird der Wirkungsgrad in Abhängigkeit von einem variablen Parameter (meist der Differenz zwischen mittlerer Kollektortemperatur und Umgebungstemperatur) gezeigt. Mithilfe dieser Kennlinie können geeignete Einsatzmöglichkeiten für Kollektoren bestimmt werden. Abbildung 10: Wirkungsgrad-Kennlinien verschiedener Kollektortypen (Quelle: Ingenieurbüro Junge; http://www.ing-büro-junge.de) 15 Mathematisch kann die Kollektorkennlinie durch ein Polynom 2. Ordnung beschrieben werden. Die Koeffizienten dieses Polynoms sind charakteristische Kennwerte eines Kollektors: T T T T 0 a1 m u a2 G m u G G 2 Mit: Tm mittlere Temperatur des Wärmeträgers im Kollektor, °C Tu Umgebungstemperatur, °C G Globale Bestrahlungsstärke, W/m² Wobei η0 als maximaler Wirkungsgrad, a1 als linearer Wärmeverlustkoeffizient und a2 als quadratischer Wärmeverlustkoeffizient bezeichnet wird. Der maximale Kollektorwirkungsgrad η0 wird durch den Schnittpunkt der Kollektorkennlinie mit der y-Achse dargestellt. Ein weiterer Kennwert ist die Stillstandstemperatur. Diese zeigt die maximale Temperatur eines Kollektors, die bei Stillstand der Anlage auftritt. Ab dieser Temperatur werden die solaren Gewinne durch die Verluste an die Umgebung aufgewogen (Schnittpunkt der Kollektorwirkungsgrad-Kennlinie mit x-Achse). 6.2. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 6: Was sagt der Kollektorwirkungsgrad aus? 16 7. Wie wird eine thermische Solaranlage geplant? Um eine thermische Solaranlage planen zu können, müssen der Warmwasserbedarf und im Falle einer unterstützenden Heizung auch der Heizwärmebedarf bestimmt werden. Grundsätzlich hängt die Größe einer Solarthermieanlage vom gewünschten solaren Deckungsgrad ab, allerdings setzen das vorhandene Flächenangebot (Dach, Fassade) sowie die Statik Grenzen. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Ausrichtung der Anlage. Für Solaranlagen sind Dachneigungen zwischen 20° und 60° optimal, wobei flachere Dächer (zwischen 20° und 30°) im Sommer vorteilhafter sind und steilere Dächer (50° bis 60°) im Winter. (Austria Solar) Als Richtwert gilt für einen 4-Personen-Haushalt zur Brauchwassererwärmung1 bis 1,5 m2 Kollektorfläche pro Person bei einem Solarspeichervolumen von 0,3 bis 0,4 m3 und einem Deckungsanteil im Jahresdurchschnitt von 50 bis 60 % (Lenz et al. 2010). Für Anlagen mit zusätzlicher Heizungsunterstützung werden 8 bis 16 m2 dimensioniert, kombiniert mit einem Wasserspeicher von 1.000 Liter. Bei energieeffizienten Gebäuden lassen sich mit einer Kollektorfläche von 10 bis 20 m2 und einem Speichervolumen von 0,7 bis 2,0m3 20 bis 30 % des Gesamtwärmebedarfs decken (Lenz et al.2010). Im Idealfall lässt sich bei EFH in Passivhausqualität der Gesamtwärmebedarf solar decken. Wesentlich für einen effizienten Betrieb sind die Qualität der Komponenten (Kollektor, Wärmeübertrager) die optimale Auslegung und Kombination von Kollektorfläche, Speicher (Pufferspeicher, Schichtspeicher), Dimensionierung des Leitungssystems. 7.1. Systemeffizienzsteigerung in der Planungs- und Umsetzungsphase Bereits in der Planungsphase können Systemkosten gesenkt und die Voraussetzungen für höchste Systemeffizienz geschaffen werden. Die frühzeitige Einbindung aller Projektbeteiligten (ProjektentwicklerIn, ArchitektIn, BauleiterIn, HaustechnikplanerIn, InstallateurIn, betriebsführendes Unternehmen etc.) ist dabei sehr wichtig. Auch die Ausführung ist wesentlich für Effizienz und Qualität des Solarsystems. Die Dimensionierung der Kollektorfläche und des Speichervolumens ist ein wichtiges Planungskriterium, ebenso die Neigung und Ausrichtung. Optimale solare Erträge können mit Südausrichtungen und mit Aufstellwinkeln von circa 30° erreicht werden. Die Kollektorverschaltung ist für einen optimalen Betrieb ebenfalls relevant. Größere thermische Solarsysteme sollten grundsätzlich nach dem Low-Flow-Prinzip betrieben werden. Das bedeutet spezifische Massenströme von etwa 5 bis 20 kg/m2h. Kennzeichnend für eine Low-Flow-Kollektorverschaltung sind eine große thermische Länge sowie eine geringe Anzahl paralleler Stränge. In Kombination mit dem niedrigen Massenstrom resultiert daraus ein großer Temperaturhub innerhalb eines Kollektordurchlaufs bei gleichzeitig größtenteils turbulenter Strömung. 17 Festlegung des Hydraulikkonzeptes und der Regelung: „Low-Flow“-Systeme in Verbindung mit Einspeichersystemen sowie eine Wärmeverteilung über Zwei-Leiter-Netze mit Wohnungsstationen haben sich als Standardhydraulik im Geschoßwohnbau etabliert. Der Vorteil ist, dass die Anforderungen an die Regelung der Gesamtanlage bei diesem Konzept äußerst gering sind. Richtige Fühlerpositionen: Der Kollektorfühler wird im heißesten Kollektor am Kollektoraustritt befestigt. Festlegung des Wärmedämmstandards von Rohrleitungen und Energiespeicher: Für einen effizienten Betrieb des Systems ist eine Nachoptimierung nach der Inbetriebnahme ebenso wichtig wie eine jährliche Wartung. (Salzburger Institut für Raumordnung & Wohnen 2006) 8. Welche Anwendungsgebiete und Anlagentypen gibt es? In den 1980er-Jahren wurden thermische Solaranlagen meistens für die Warmwasserbereitung in Einfamilienhäusern und für die Schwimmbaderwärmung genutzt. Im Jahr 2009 wurden in Österreich 47 % der betriebenen Kollektorfläche zur Warmwasserbereitung für Einfamilienhäuser verwendet, rund 46 % in Kombianlagen für die Warmwasserbereitung und Raumheizung in Ein- und Mehrfamilienhäusern. 5 % wurden in Hotel- und Tourismusbetrieben sowie in Mehrfamilienhäusern für die Warmwasserbereitung eingesetzt. Den Rest bildeten Kollektorflächen für die Nah- und Fernwärmeversorgung, gewerbliche und industrielle Anlagen sowie den öffentlichen Sektor. Der Trend geht im Einfamilienhaus zu Kombianlagen, aber auch für Mehrfamilienhäuser und gewerbliche Anwendungen werden zunehmend Kollektorflächen installiert. (Weiss/Eberl 2011) 8.1. Warmwasserbereitung Einfachste Anlagen sind sogenannte Thermosiphonanlagen. Sie machen sich die physikalische Eigenschaft des Wassers, das eine unterschiedliche spezifische Dichte bei unterschiedlicher Temperatur besitzt zunutze. Heißes Wasser hat ein geringeres spezifisches Gewicht, steigt auf und wird in einem Behälter gesammelt (Sammelbehälter). Bei Abkühlung oder Warmwasserverbrauch fließt das Wasser wieder nach unten und weiter in den Kollektor, um dort erwärmt zu werden. Der Vorteil von Thermosiphonanlagen ist, dass Umwälzpumpen nicht unbedingt notwendig sind und dass die Anlagen kostengünstig sind. Die Anwendung bleibt allerdings auf Gebiete mit kurzen und nicht ausgeprägten Frostzeiten beschränkt, da das Brauchwasser ohne frostgeschütztes Wärmemedium direkt erhitzt wird. Im Mittelmeerraum wird dieser Anlagentyp seit langer Zeit verwendet. 18 Abbildung 11: Schwerkraftanlage (schematisch) für Warmwasserbereitung: 1: Zapfstelle 2: Isolierter Speicherbehälter 3: Aufwärts zirkulierendes erwärmtes Wasser 4: Sonnenkollektor 5: Frischwasserzufluss (Quelle: Rainer Bielefeld; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei: Thermosiphon2.png&filetimestamp=20060518173448) In frostgefährdeten Gebieten hingegen bestehen solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung aus Kollektoren, einer Regelung mit Umwälzpumpe und einem gut gedämmten Wärmespeicher mit Wärmeübertrager (Wärmetauscher). Schauen Sie nach auf YouTube! Solarthermie Dauer: 1:13 min. Quelle: http://www.youtube.com/watch?v=I0FAqkfBLZ0 19 8.2. Kombianlagen zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung Wichtige Voraussetzungen für einen effizienten Betrieb einer Kombianlage sind eine gute Wärmedämmung, die ein Heizsystem auf Niedrigtemperaturbasis ermöglicht (zum Beispiel eine Fußbodenheizung), sowie die Möglichkeit einer günstigen Ausrichtung der entsprechend großen Kollektorfläche. Niedrigenergiehäuser und Passivhäuser bieten aufgrund ihres niedrigen Heizwärmebedarfs günstige Voraussetzungen für sogenannte Kombianlagen. Aber auch in Gebäuden mit einem höheren jährlichen Heizwärmebedarf können Kombianlagen sinnvoll eingesetzt werden, wenn die Solarthermie mit einem weiteren Heizsystem (z. B. Brennwertkessel) kombiniert wird, idealerweise einem Heizsystem ebenfalls auf Basis erneuerbarer Energieträger, wie Biomassekessel. Besonders in den Übergangszeiten kann mit solarer Wärme ein Großteil des Raumwärmebedarfs abgedeckt werden. Die zurzeit größte solarthermische Anlage der Welt steht auf dem Campus der Princess Noura Bint Abdulrahman Universität für Frauen (Riad, Saudi-Arabien). Die Gesamtkollektorfläche beträgt 36.000 m2 und wurde mit Kollektoren aus Österreich errichtet, die speziell auf die extremen Windverhältnisse in dieser Region ausgelegt wurden. Die Anlage wird zur Warmwasseraufbereitung und Heizungsunterstützung genützt und kann circa 36.000 Personen versorgen. Umgelegt auf die Lebensdauer der Anlage können damit 125 Mio. kg CO2 eingespart werden. Link: http://www.nachhaltigwirtschaften.at/results.html/id6807 8.3. Systeme mit Luft/Wasser-Hybridkollektor Relativ neue Systeme sind solche, die einen Luft/Wasser-Hybridkollektor, einen Kombispeicher auf Wasser-Eis-Basis und eine Wärmepumpe miteinander kombinieren. Die Systeme funktionieren bei Sonneneinstrahlung wie herkömmliche Solaranlagen; die erwärmte Solarflüssigkeit fließt direkt in den Kombispeicher. Bei geringer Sonneneinstrahlung hingegen wird von einem Ventilator Umgebungsluft durch den Kollektor geschleust. Dadurch wird die Solarflüssigkeit auf ein niedriges Temperaturniveau gebracht und strömt in den Latentwärmespeicher. Dort dient sie als Wärmequelle für die Wärmepumpe. (Lenz et al. 2010) 20 8.4. Solare Nah- und Fernwärme Solarthermische Anlagen werden zunehmend auch für die Wärmeversorgung von Wohngebieten errichtet. Dazu sind allerdings große Kollektorfelder notwendig. Die Möglichkeit einer Einspeisung in ein Nahwärmenetz bieten auch größere Kombianlagen. Dabei werden beispielsweise von einer zentralen Heizzentrale aus mehrere Gebäude mit Wärme versorgt. Sinnvoll ist der Einsatz vor allem dann, wenn der jährliche Heizwärmebedarf eines Gebäudes durch eine effiziente Sanierung entsprechend gesenkt wurde oder entsprechend energieeffizient neu gebaut wurde. Solare Nahwärmenetze werden immer mit einem Speichersystem kombiniert. 8.5. Solarwärme für gewerbliche und industrielle Anwendungen Eine weitere Anwendung ist die solare Prozesswärme. Darunter ist die Nutzung von solarer Wärme als Prozesswärme in Gewerbe- und Industriebetrieben zu verstehen. Diese Anwendung ist noch selten, sie hat aber ein hohes Potenzial, da der Bedarf an Prozesswärme im produzierenden Gewerbe nicht unerheblich ist. Für die Nutzung solarer Prozesswärme eignen sich nur Standorte mit günstigen Einstrahlbedingungen und ausreichend Fläche für die Kollektoren. Die Energiebereitstellung muss, falls die solare Einstrahlung zu gering ist, aus zusätzlichen konventionellen Anlagen erfolgen. Solarthermische Kraftwerke Eine spezielle Anwendung der Solarthermie sind solarthermische Kraftwerke. Dabei wird Hochtemperaturwärme genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Damit unterscheiden sich die Kraftwerke von den anderen solarthermischen Anlagen, mit denen thermische Energie bereitgestellt wird. Bei solarthermischen Kraftwerken wird die direkte Sonneneinstrahlung mit Spiegelsystemen stark konzentriert und auf Absorber reflektiert. Die entstehende Wärme wird zum Beipiel zur Dampferzeugung für Dampfkraftwerke genutzt. Eine hohe direkte Sonneneinstrahlung ist notwendig, um solarthermische Kraftwerke wirtschaftlich sinnvoll nutzen zu können. Je nach Art des verwendeten Spiegelsystems unterscheidet man folgende Kraftwerkstypen: Parabolrinnen-, Turm-, Fresnel- und Paraboloid- (= Dish-Stirling-)Kraftwerke Weitere Infos unter: http://www.solarpaces.org 21 Schauen Sie nach auf YouTube! Australia’s Energy Security - Concentrated Solar Thermal Powerplus Molten Salt Storage (CSP+) Dauer: 4:34 min. Quelle: http://www.youtube.com/watch?v= LMWIgwvbrcM 8.6. Anlagen zum solaren Kühlen und Klimatisieren Die EU-Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz in Gebäuden schreibt den Mitgliedsstaaten den Erlass von Höchstverbrauchsstandards für Neubauten sowie bei grundlegender Renovierung auch für Bestandsgebäude vor. Insbesondere bei Nichtwohngebäuden wird dabei auch der Stromverbrauch für Lüftung, Klimatisierung, Heizung (Pumpen und andere Hilfsenergie) sowie Beleuchtung erfasst. Insgesamt ist der Strombedarf in den Haushalten in den Jahren zwischen 1990 und 2009 um über 43 % angestiegen. „Relativ verzeichneten die Anwendungen Klimatisierung (Wachstum 600 %), Wäschetrockner (180 %), sowie Fernseher und Gefriergeräte (jeweils 50 %) die größten Zuwächse.“ (Haas 2011) Die Spitzenlasten treten vor allem an heißen Tagen in den Mittagstunden auf. Eine Anwendungsmöglichkeit mit hohem Ausbaupotenzial ist aufgrund der überwiegenden Zeitgleichheit von Bedarf und Erzeugung solarer Wärmedaher die solare Kühlung. Die großen Vorteile der solaren Kühlung sind das Stromsparpotenzial, die Nutzung von Abwärme oder erneuerbarer Wärme, niedrige Betriebskosten, eine gute Regelbarkeit (10 bis 100 %), geringe Wartungskosten und -aufwand sowie eine hohe Lebensdauer (circa 20 Jahre) (Rakos o.J.). Nachteile sind allerdings noch die hohen Investitionskosten und der große Platzbedarf. 22 Schauen Sie nach auf YouTube! Solar Air Conditioning Dauer: 6:32 min. Quelle: http://www.youtube.com/watch?v= AtMC2MXc_n8&feature=related 8.7. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 7: Für welche Anwendungsmöglichkeiten lässt sich die Solarthermie nutzen? Aufgabe 8: Recherchieren Sie Anwendungsbeispiele der solaren Prozesswärme z. B. unter http://www.solarwaerme.at/Sonne-und-Energie/Prozesswaerme/. 23 9. Welches Funktionsprinzip liegt der solaren Kühlung zugrunde? Konventionelle Kältemaschinen basieren auf dem Prinzip der Verdichtung eines Gases, wobei ein strombetriebener Kompressor (Verdichter) das Gas komprimiert. In einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel. Bei Wärmeaufnahme – diese erfolgt bei niedrigem Druck- und Temperaturniveau – verdampft das Kältemittel, wird von einem Kompressor verdichtet, um sich dann bei der Wärmeabgabe wieder zu verflüssigen. Bereits im 19. Jh. wurde der erste Prototyp einer Kältemaschine gebaut. Bierbrauereien waren die ersten Anwender. Abbildung 12: Konventionelles Klimagerät (Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei: Air_conditioning_unit-de.svg&filetimestamp=20100528071841) Die solare Kühlung hingegen basiert auf einem Sorptionsprozess, das bedeutet, ein Zweiphasen-Gemisch aus einem Kältemittel und dem Sorptionsstoff, der das Kältemittel sorbiert, wird in einem geschlossenen System in Umlauf gebracht. Der Prozess kann in Form einer Absorption oder Adsorption ablaufen: Absorption („Aufsaugen“) findet statt, wenn ein Stoff durch einen anderen aufgenommen wird. Adsorption („Ansaugen“) hingegen bedeutet, dass ein fester Stoff durch Gase oder Flüssigkeiten nur an der Oberfläche angereichert wird. 24 Um das Gesamtsystem aufrechtzuerhalten, muss die Sorption immer wieder rückgängig gemacht werden, das heißt, das Kältemittel und das Sorptionsmittel müssen wieder getrennt werden. Dazu ist Wärme erforderlich, die entweder aus Solarthermie oder Abwärme stammen kann. Eine weitere Möglichkeit neben der Absorption und der Adsorption ist das Desiccant Cooling System (DEC). Dabei handelt es sich um ein offenes System, basierend auf einer Kombination aus Verdunstungskühlung und Luftfeuchtigkeitsentzug. Je nach Anlagentyp können folgende Arbeits-Stoffpaare eingesetzt werden: Absorption (Wasser-Lithiumbromid) Absorption (AmmoniakWasser) Adsorption DEC-Anlagen Verfahrensprinzip Kaltwassererzeugung Kaltwassererzeugung Kaltwassererzeugung Kältemittel Wasser Ammoniak Wasser Luftentfeuchtung u. Verdunstungskühlung - Sorptionsmittel Lithiumbromid Wasser Silikagel Silikagel Kälteträger Wasser Wasser-Glykol Wasser Luft KältetemperaturBereich Antriebstemperatur 6 bis 20 °C -60 bis +20 °C 6 bis 20 °C 15 bis 20 °C 75 bis 160 °C 80 bis 120 °C 60 bis 90 °C 45 bis 95 °C Kälteleistung je Einheit COP ab 15 kW ab 80 kW ab 50 kW 6 bis 300 kW 0,6-1,2 0,3-0,7 0,4-0,7 0,5-1 Solarantrieb VakuumröhrenKollektoren, Flachkollektoren VakuumröhrenKollektoren VakuumröhrenKollektoren, Flachkollektoren Flachkollektoren, Luftkollektoren Tabelle 1: Arbeits-Stoffpaare für Sorptions-Kälteanlagen (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H., 2007) 9.1. Absorptionskälteanlagen Die Absorptionstechnik ist die am häufigsten eingesetzte Technik bei thermisch betriebenen Kälteanlagen. 9.1.1. Funktionsprinzip Kältemitteldampf gelangt aus dem Verdampfer in einen Absorber und wird dort im Sorptionsmittel („arme Lösung“) bei einem bestimmten Druck absorbiert. Dazu muss Wärme abgeführt werden, denn je kälter die Lösung ist umso höher ist die Aufnahme des Kältemittels durch das Sorptionsmittel. Das flüssige Stoffgemisch („reiche Lösung“) wird mittels Pumpe in den Austreiber geleitet, wo es wieder getrennt wird, das heißt, das Kältemittel muss aus der Lösung „ausgetrieben“ werden. Dazu muss die Lösung erhitzt 25 werden, wobei das Kältemittel aufgrund seines niedrigen Siedepunktes zuerst verdampft und anschließend im Kondensator abgekühlt und wieder verflüssigt wird. Durch eine Drossel (Regelventil) wird das Kältemittel wieder auf ein niedrigeres Druckniveau gebracht und gelangt in den Verdampfer, wo es erneut verdampft. Der Kühleffekt kommt zustande, indem das Kältemittel unter Wärmeaufnahme verdampft. Danach wird der Kältemitteldampf wieder in den Absorber geleitet und der Kreislauf ist geschlossen. Abbildung 13: Kreislauf einer Absorptionskältemaschine (Quelle: Famulus; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Absorptionsk%C3%A4ltemaschine.png&filetimestamp= 20120306214950) Die Absorptionskältemaschine hat also zwei Kreisläufe: einen Kreislauf zwischen Verdampfer, Absorber, Austreiber und Kondensator und einen zweiten zwischen Absorber und Austreiber. Im zweiten Kreislauf „fließt“ vom Absorber zum Austreiber „reiche Lösung“, gleichzeitig wird vom Austreiber zum Absorber „arme Lösung“ über eine Drossel zurückgeführt. Beide Phasen verlaufen zyklisch, das heißt, zur selben Zeit findet sowohl Abals auch Desorption statt. Wärmequellen sind solarthermische Anlagen oder aber Abwärme aus Industrieprozessen. Für beide gilt, dass ein Temperaturbereich von etwa 75 bis 160°C bereitgestellt werden muss. Der Vorteil von Absorptionskältemaschinen gegenüber Kompressionsprozessen liegt darin, dass die Pumpe, um ein höheres Druckniveau zu erreichen, nicht den Druck eines Gases, sondern „nur“ den einer Flüssigkeit erhöhen muss, da nicht wie bei Kompressionsanlagen ein Gas verdichtet werden muss, sondern nach der Absorption die Flüssigkeit. Dieser Vorgang benötigt sehr viel weniger Energie, unter anderem weil Flüssigkeiten eine höhere spezifische Wärmespeicherkapazität als Gase haben. 26 Die verfügbaren Anlagen können entweder unterschieden werden nach den eingesetzten Stoffpaaren oder aber nach der Antriebstemperatur. Die meisten Anlagen arbeiten mit folgenden Arbeits-Stoffpaaren: Wasser/Lithiumbromid Ammoniak/Wasser Eine weitere Unterscheidung ergibt sich durch die Verwendung von 1-stufigen und 2-stufigen Absorptionskältemaschinen. „Die 1-stufigen Absorptionskältemaschinen mit Wasser/Lithiumbromid können über einen Solarkollektor mit einer Austreibertemperatur (= Antriebstemperatur) von 75 °C bis 95 °C betrieben werden und erreichen dabei einen COP (Coefficient of Performance) von 0,6 bis 0,8. 2-stufige Absorptionskältemaschinen mit Wasser/Lithiumbromid benötigen eine Austreibertemperatur von 140°C bis 160 C, erreichen aber dafür einen höheren COP von 0,9 bis 1,2. 1-stufige Absorptionskältemaschinen auf Ammoniak/Wasser-Basis brauchen Austreibertemperaturen von 80°C bis 120°C und erreichen derzeit einen COP von 0,3 bis 0,7. (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H., 2007) COP = Coefficient of Performance = 𝑵𝒖𝒕𝒛𝒌ä𝒍𝒕𝒆 𝑨𝒏𝒕𝒓𝒊𝒆𝒃𝒔𝒘ä𝒓𝒎𝒆 Anwendungsgebiete für Absorptionskältemaschinen sind überall dort, wo entweder Abwärme oder genügend Kollektorfläche zur Erzeugung von solarer Wärme zur Verfügung steht. Typische Einsatzgebiete sind auch aufgrund des großen Platzbedarfs Bürobauten, Hotelanlagen, Krankenhäuser, Betriebe mit viel Abwärme (Druckereien) und die Lebensmittelindustrie, die viel Wärme produziert und gleichzeitig Kälte benötigt. Die weltweit größte solare Kühlungsanlage läuft seit 2011. Mit einer Fläche von 3.900 m2 sollen die Kollektoren rund 2.200 MWh/Jahr (berechnet auf 25 Jahre) bereitstellen. Die Lithium/Bromid-Absorptionskältemaschine hat eine Leistung von 1.575 kW. Der Speicher ist mit 2 mal 30 m3 (Pufferspeicher) und 7 m3 (Warmwasser) ausgelegt. 27 Abbildung 14: Absorptionswärmepumpe mit einer Kälteleistung von 14.000 kW (Quelle: Reinraum; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Absorption_heat_pump.jpg&filetimestamp=2009112716 3731) 9.2. Adsorptionskälteanlagen Die verfügbaren Anlagenarten unterscheiden sich durch die eingesetzten Stoffpaare, bestehend aus einem festen Stoff (Sorptionsmittel) und dem Kältemittel, einer flüchtigen Substanz. Das feste Sorptionsmittel adsorbiert das Kältemittel, das heißt, es kommt zu einer Oberflächenreaktion. 9.2.1. Funktionsprinzip Bei der Adsorption wird unter niedrigem Druck durch Verdampfung des Kältemittels (Wasser) Wärme entzogen und dadurch Nutzkälte erzeugt. Der Wasserdampf adsorbiert am Sorptionsmittel und wird dann anschließend wieder desorbiert, wobei wieder Wärme zugeführt werden muss. Im Unterschied zur Absorptionskältemaschine kann das Sorptionsmittel nicht von einer Kammer zur anderen weiterbefördert werden. Die zwei Phasen müssen folglich in einer Kammer stattfinden, dementsprechend müssen sie zeitlich voneinander getrennt sein. In einer Phase findet die Adsorption mit der Verdampfung statt, in der zweiten die Desorption mit der Kondensation. Es gibt zwei Kammern, in denen jeweils abwechselnd ad- und desorbiert wird, wodurch ein kontinuierlicher Prozess gewährleistet werden kann. 28 Abbildung 15: Funktionsprinzip einer diskontinuierlich arbeitenden Adsorptionskältemaschine: (Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Adsorptions-Kältemaschine.png &filetimestamp=20120311150300) Für die Wahl der Arbeits-Stoffpaare sind nicht nur ihre physikalischen Eigenschaften ausschlaggebend, sondern auch ihre ökologischen sowie ökonomischen. Sorbens Zeolith Sorbat Wasser Silikagel Ammoniak Silikagel Schwefeldioxid Silikagel Wasser Aktivkohle Methanol Kalziumchlorid Ammoniak Tabelle 2: Arbeits-Stoffpaare für Adsorptionskälteanlagen Die Anwendungsmöglichkeiten sind prinzipiell dieselben wie bei Absorptionskältemaschinen. Die Entscheidung für eine der beiden Möglichkeiten hängt von den jeweiligen Randbedingungen der geplanten Anlage ab. Adsorptionskältemaschinen können verwendet werden, wenn die Temperaturen des Kaltwassers nicht unter 5 °C liegen müssen. 29 Adsorptionskältemaschinen decken in der Regel die Grundlasten ab, wohingegen für die Abdeckung von Lastspitzen Kompressionskältemaschinen dazugeschaltet werden. (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H., 2007) Sowohl für Ab- als auch Adsorptionskältemaschinen können verschiedene Sonnenkollektoren verwendet werden. 9.3. Sorptionsgestützte Klimatisierung Eine weitere Möglichkeit, Kompressionskältemaschinen zu ersetzen, ist die sorptionsgestützte Klimatisierung (SGK), auch Desiccant Evaporative Cooling (DEC) genannt. Sie stellt eine relativ neue und auch innovative Möglichkeit zur Klimatisierung bzw. Raumluftkonditionierung dar. Der Vorteil dieser Methode ist, dass sie in das gebäudetechnische Gesamtkonzept integriert und auch im Winter zur Wärmerückgewinnung eingesetzt werden kann. Im Gebäude „ENERGYbase“ in Wien ist eine Desiccant Evaproative Cooling (DEC) Anlage in Betrieb. http://www.aee-intec.at/0uploads/dateien784.pdf 9.3.1. Funktionsprinzip DEC-Anlagen arbeiten mit einem Ab- und Zuluftsystem. Abbildung 16: Schematische Darstellung einer DEC-Anlage (Quelle: GrAT) 30 „Die angesaugte und gefilterte Außenluft durchströmt zunächst einen Sorptionsrotor (auch Rotationsentfeuchter genannt) und wird dabei getrocknet und gibt Kondensationswärme frei, die zu einer Temperaturerhöhung des Luftstromes führt. Diese trockene warme Luft wird dann in einem Wärmerückgewinnungsrad vorgekühlt. Um den gewünschten Zuluftzustand zu erreichen, wird die Luft anschließend in einem regelbaren Befeuchter (Verdunstungskühler) weiter abgekühlt und dann in die Räume verteilt. Die aus den Räumen abgeführte Abluft wird zunächst in einem weiteren Befeuchter annähernd bis zum Sättigungszustand befeuchtet und dadurch abgekühlt. Man erhält so ein großes Temperaturpotenzial zur Wärmerückgewinnung. Anschließend nimmt die feuchte kalte Abluft im Wärmerückgewinnungsrad Wärme der getrockneten warmen Zuluft auf und kühlt diese. Dann durchströmt die Abluft einen weiteren Nacherhitzer, um die Desorption des darauf folgenden Sorptionsrotors sicherzustellen. Danach verlässt der Luftstrom das System durch den Abluftventilator.“ (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H., 2007) Vorteile von DEC-Anlagen sind die niedrigeren Investitionskosten als bei konventioneller, Technik (bei nicht zu hohen Luftvolumendurchsätzen), niedrigere Energiekosten, um 80 %, niedrigere Wartungskosten und die Kälteerzeugung aus Niedertemperaturwärme ab 60 °C. Verwendete Substanzen sind umweltfreundlich und haben eine hohe Lebensdauer (bis zu 20 Jahre). Nachteile von DEC-Anlagen sind, dass sie nur in Gebäuden mit Klimaanlage einsetzbar sind (Rakos o.J.). DEC-Systeme mit flüssigen Sorbentien sind energetisch günstig, sie haben sich jedoch unter anderem deshalb nicht durchgesetzt, weil die Salzlösungen Korrosions- und Kristallisationsprobleme verursachen. (AIT 2012) 9.3.2. Anwendungsgebiete DEC-Anlagen sind ideal für Anwendungen mit hohem Frischluftbedarf geeignet, vor allem dann, wenn neben dem Kühlbedarf auch eine Be- oder Entfeuchtung notwendig ist. DECAnlagen finden in folgenden Bereichen Anwendung: Hörsäle, Büros, Museen, Bibliotheken, Kinos, Theater, Produktionshallen, Schwimmhallen, Hotels, Gaststätten. 9.4. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 9: Was ist der charakteristische Unterschied zwischen einer Kompressionskälteanlage von einer Sorptionskälteanlage? Aufgabe 10: Wodurch unterscheidet sich Absorption und Adsorption? 31 Aufgabe 11: Welche Arbeits-Stoffpaare können in Absorptionsanlagen verwendet werden und welche Antriebstemperatur ist ihnen zugeordnet? Aufgabe 12: Wie kommt die Nutzkälte bei der Absorptionskältemaschine zustande? Aufgabe 13: Welche Anlagentypen können bei den Absorptionskältemaschinen unterschieden werden? Aufgabe 14: Beschreiben Sie das Funktionsprinzip einer Absorptionskältemaschine, einer Adsorptionskältemaschine sowie einer DEC. Aufgabe 15: Welche Arbeits-Stoffpaare können Sie für Absorptionskältemaschinen nennen, und welche Antriebstemperaturen werden ihnen zugeordnet? Aufgabe 16: Welche Kollektortypen kommen für die solare Kühlung infrage? Aufgabe 17: Welche Anwendungen für die solare Kühlung können Sie nennen? Aufgabe 18: Wodurch unterscheiden sich Ab- und Adsorptionskältemaschinen? Nennen Sie zwei wesentliche Unterschiede. Aufgabe 19: Wodurch unterscheiden sich DEC von Ab- bzw. Adsorptionskälteanlagen? 32 10. Planung und Dimensionierung solarer Kühlanlagen Die Klimadaten eines Standortes sind ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung, ob solare Kühlung eingesetzt werden soll und welche der möglichen Technologien am sinnvollsten anwendbar ist. Die wichtigsten Werte sind hierbei die Temperaturverläufe (Mittelwerte, Spitzenwerte), die zu erwartende Globalstrahlung und die Luftfeuchte. Standorte in Küstennähe können beispielsweise so hohe Feuchtewerte aufweisen, dass der Einsatz von DEC-Anlagen technisch nicht sinnvoll ist, während die klimatischen Rahmenbedingungen in Österreich für den Einsatz der DEC-Technologie sehr günstig sind. (Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H., 2007) Für die optimale Auslegung einer Anlage sind detaillierte Kühllastberechnungen bis hin zu einer dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation erforderlich. Kühllast bedeutet, dass aus einem Gebäude eine bestimmte Wärmelast abgeführt werden muss, um die gewünschte Raumtemperatur und den entsprechenden Feuchtegehalt zu erhalten bzw. aufrechtzuerhalten. Als Referenztag für die Berechnung der Auslegungslast werden ein extrem heißer, klimaabhängiger Tag sowie das Tagesmaximum genommen. Der Kühlbedarf eines Gebäudes errechnet sich aus dem Jahreskühlbedarf [Wh/a], der Kühllast [W] sowie den Volllaststunden der Kühlung [h/a]. Die Kühllast wiederum setzt sich zusammen aus der inneren Kühllast, der äußeren Kühllast sowie der Kühlung und Entfeuchtung der einzubringenden Außenluft. Daraus folgt: Gebäudekühllast + Energie zur Aufbereitung der Außenluft = erforderliche Kälteleistung Gebäudekühllast = Summe innere und äußere Kühllast des Gebäudes und der Nutzungen zur Zeit t) Energie zur Aufbereitung der Außenluft = Summe Kühlung und Entfeuchtung der erforderlichen Außenluft zur Zeit t) (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H., 2007) Vor der Entscheidung für ein Kühlsystem sollte eine Gebäudeoptimierung vorgenommen werden, um die täglichen Kühllasten zu reduzieren. 10.1. Innere Kühllast Für die Bestimmung der abzuführenden Wärmelasten müssen möglichst realitätsnahe Szenarien betrachtet werden, zum Beispiel die Arbeitszeiten, wie viele Personen tagsüber 33 die Büros nützen, welche Geräte verwendet werden, wie die voraussichtliche Laufzeit der Geräte sein wird. Entscheidend sind der Stromverbrauch in den Betriebszeiten und der Stand-by-Verbrauch der verschiedenen Geräte. Geräte im Stand-by-Modus beispielsweise verbrauchen nicht nur Strom, sie erzeugen auch Wärme. Effiziente Neugeräte sollten nicht mehr als 1 Watt im Stand-by-Modus verbrauchen. Mit energieeffizienten Geräten der Klasse A++ oder A+++ können im Schnitt etwa 50 % Energie eingespart werden. (Erhorn-Kluttig 2011). Anzustreben ist immer eine Kombination aus einer Verhaltensänderung der NutzerInnen und technischen Maßnahmen, um den Stromverbrauch und damit auch die Kühllast günstig zu beeinflussen. Interne Lasten, die durch die Beleuchtung entstehen, können durch spezielle Beleuchtungskonzepte reduziert werden, wie zum Beispiel hohe Tageslichtangebote in den Arbeitsräumen oder tageslichtabhängige Steuerung der Beleuchtungsstärke. Effektiv sind arbeitsbezogene Beleuchtungslösungen, sogenanntes Task-Lighting. Dabei werden nur bestimmte Bereiche eines Raumes mit den für die Tätigkeit erforderlichen hohen Beleuchtungsstärken versorgt, die restlichen Flächen hingegen mit geringeren Werten. (Erhorn-Kluttig 2011) Lichtmanagement in Form von Lichtsensoren ist ebenso möglich, allerdings hängt die Effizienz von der Raumgeometrie ab. Effizient sind Systeme, die bei ausreichend Tageslicht die Beleuchtungsgeräte abschalten. Kaum beeinflussbar ist hingegen der Wärme- und Feuchtigkeitseintrag durch die Anzahl der Personen in einem Raum oder einem Gebäude. 10.2. Äußere Lasten Der von außen beeinflusste Kühlbedarf resultiert aus dem Zusammenwirken folgender Faktoren: Gebäudeorientierung Thermische Qualität der Gebäudehülle Fläche der transparenten Bauteile und Energiedurchlassgrad Verschattung 10.2.1. Gebäudeorientierung und thermische Qualität der Gebäudehülle Durch die Orientierung eines Gebäudes wird der solare Eintrag in die Räume beeinflusst. Dieser wiederum wirkt sich auf die Kühllast aus. Zusätzlich können bei der Planung der Fassadenflächen auch solarthermische Kollektoren mit möglichst günstiger Ausrichtung (südseitig) integriert werden. Eine hocheffiziente Dämmung der Gebäudehülle verhindert nicht nur Wärmeverluste, sondern auch den Wärmeeintrag über die Fassade. 34 10.2.2. Fläche der transparenten Bauteile und Energiedurchlassgrad Fensterflächen sollten so geplant werden, dass das Tageslicht optimal genutzt werden kann, wobei Glasflächenanteile von 30 bis max. 50 % bezogen auf die von innen sichtbare Außenwand hierzu völlig ausreichend sind. Verglaste Brüstungen hingegen verbessern nicht die Belichtungssituation, sondern erhöhen nur die Kühllast. (SOLAIR 2009) Der Energieeintrag durch transparente Fassaden wird (neben Größe und Orientierung der Öffnung) durch folgende Faktoren bestimmt: Lichtdurchlässigkeitsfaktor Der Lichtdurchlässigkeitsfaktor gibt an, wie viel Prozent des Tageslichtes von außen durch eine Scheibe in den Raum gelangt. Ziel: möglichst hoher Tageslichteintrag, damit bei geschlossenem Sonnenschutz nicht das Kunstlicht eingeschaltet werden muss Energiedurchlassfaktor g-Wert Die Energiedurchlässigkeit (g-Wert) gibt an, wie viel Prozent der außen auftreffenden Strahlung in den Raum gelangt (Summe aus der direkten Energiedurchlässigkeit und der Sekundär-Wärmeabgabe nach innen). Ziel: möglichst (im Sommer) geringer solarer Eintrag Abminderungsfaktor Z Der Abminderungsfaktor eines Sonnenschutzelementes gibt an, wie viel der auftreffenden Sonnenenergie durch den Sonnenschutz dringt. Ziel: möglichst (im Sommer) hoher Abminderungsfaktor (= niedriger Z-Wert) (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H. 2007) 10.2.3. Verschattung In Gebäuden mit hocheffizienten Verschattungssystemen können Kühllasten vermieden werden. Die planerische Aufgabe besteht daher darin, die Beschattung so zu gestalten, dass im Winterhalbjahr die Sonnenstrahlen soweit und solange wie möglich durch die Glasflächen in das Gebäude gelangen und dass sie im Sommerhalbjahr daran gehindert werden. Außenliegende Verschattungen wirken wesentlich effektiver als innen angebrachte Varianten. Das liegt vor allem daran, dass Sonnenstrahlen bei innen angebrachter Verschattung durch das Fensterglas treten können und danach zur Aufheizung des Innenraums beitragen, egal ob dort (innenseitig) noch zusätzlich eine Verschattung vorhanden ist. 35 Regelbare Verschattungssysteme sind fest installierten Lösungen grundsätzlich vorzuziehen. (siehe http://www.e-genius.at, Lernfeld Grundlagen Passivhaus) In der Planung ist allerdings ebenfalls zu beachten, dass strombetriebene Verschattungssysteme vielfach in der Summe nicht unwesentlich zum Endenergieverbrauch in einem Gebäude beitragen können. Planungskriterien sollten daher auch der Verbrauch für Hilfsstrom für sämtliche Pumpen, Systemregelung, Verschattungssystem etc. sein. Faustregel: Vereinfacht gesagt, gilt folgender Zusammenhang: Ein großer transparenter Fassadenanteil, geringe Speichermasse und niedrige Raumtemperatur erfordern einen ausgezeichneten Sonnenschutz und meist eine Zusatzkühlung. Ein wesentlicher Teil der Planung ist die Dimensionierung der Kollektorfläche. Bei Projekten in denen solare Kühlung eingesetzt werden soll, müssen die Kollektorflächen bereits in der Machbarkeitsstudie abgeschätzt und als integraler Teil des Entwurfskonzeptes betrachtet werden. Nur dann sind eine sinnvolle Umsetzung und Synergien bei den Investitionskosten zu erzielen. Die optimale Abstimmung zwischen Architekturkonzept und Kühllast ist ein wesentlicher Erfolgsfaktor für den Einsatz von solarer Kühlung. 10.2.4. Dachkollektoren Die einfache Aufständerung am Dach ist die preiswerte Standardlösung, sofern der Dachbereich nicht für Sondernutzungen (Terrassennutzung für Rekreation und Events, Standort für Haustechnik u. Ä.) vorgesehen ist. Optimal ausgerichtete Flachkollektoren sichern hohen Ertrag und beschatten (und kühlen damit) gleichzeitig die Dachfläche. Bei wachsender Gebäudehöhe kann diese Kollektorfläche jedoch rasch nicht mehr ausreichen. 10.2.5. Fassadenkollektoren Vor allem in Büro- und Dienstleistungsgebäuden, die zumeist ein größeres Bauvolumen mit entsprechender Fassadenfläche aufweisen, ist eine Integration der solarthermischen Kollektoren in die Fassade anzustreben. Hier ist es besonders wichtig, schon bei der Grundkonzeption der Fassade die solarthermischen Kollektoren einzuplanen, da sowohl Orientierung, Neigung der Fassade, verfügbarer Flächenanteil, aber auch der konstruktive Aufbau der Fassade und die entsprechenden Anschlüsse für das erforderliche hydraulische 36 System über eine effiziente und ökonomisch vorteilhafte Anwendung entscheiden. (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H., 2007) Ein grober Richtwert für die benötigte Kollektorfläche sind 2 bis 4 m2 je kW Kälteleistung, bezogen auf mitteleuropäische Klimabedingungen. (Ehorn-Kluttig 2011) Ein zentraler Punkt in der Planung sind Berechnungen zur Wirtschaftlichkeit, bei der die Wahl des Klimagerätes ein. Grundsätzlich wird eine Anlage dann wirtschaftlich sein, wenn kostengünstige Wärme zur Verfügung steht, sei dies nun solare Energie oder Abwärme aus KWK, und/oder wenn die Strompreise sich deutlich erhöhen. Die Wärme sollte ein Temperaturniveau von 80 bis 130 °C haben. Falls nur Wärme auf niedrigem Niveau zur Verfügung steht, kommen Adsorptionskälteanlagen infrage, die bereits mit Wärmequellen von 50°C bis 100°C auskommen. Mögliche Kombinationen sind Sorptionskälteanlagen mit Blockheizkraftwerken. Durch die höhere Auslastung (Volllaststunden) kann die Wirtschaftlichkeit eines BHKW verbessert werden. (Ehorn-Kluttig, 2011). Die Kombination mit solarer Kühlung hat den Vorteil, dass immer dann Wärme zur Verfügung steht, wenn Kühlung erwünscht ist. Welche Anlage und Kombination letzten Endes sinnvoll ist, kann nur im Einzelfall entschieden werden. 10.3. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 20: Aus welchen Teillasten setzt sich die Kühllast zusammen? Aufgabe 21: Wodurch werden die äußeren Lasten bestimmt? Aufgabe 22: Durch welche Faktoren wird der Energieeintrag bei transparenten Fassaden bestimmt? 37 11. Kälteabgabesysteme Für Absorptions- und Adsorptionsanlagen kommen folgende Kälteabgabesysteme infrage: Bauteilaktivierung Kühldecken Fußbodenkühlung Gebläsekonvektion Für die DEC hingegen sind in erster Linie Gebläsekonvektion oder auch Kühldecken geeignet. 11.1. Bauteilaktivierung Die Bauteilaktivierung ermöglicht die Ab- und Zufuhr von Wärme über tragende Bauteile eines Gebäudes. Dies erfordert eine durchdachte Planung und Regelung und ermöglicht es, große Speichermassen und Flächen zu nutzen, ohne zusätzliche Installationen (Radiatoren, Ventilatoren u.a.) in den Räumen vornehmen zu müssen. Dadurch erreicht man eine freie Raumgestaltung und komfortable, weil kaum wahrnehmbare, aber effektive Kühlung. Nachteilig wirken sich die große Trägheit der Massen und fehlende Flexibilität nach der Fertigstellung des Systems aus. Es können Kühlleistungen von 40 Watt pro m2 aktive Fläche erreicht werden, was im Falle von schnell auftretenden Lastspitzen zu wenig sein kann. Bauteilaktivierung kann mittels Wasser oder Luft als Wärmeträgermedium ausgeführt werden. Luftkanäle müssen bei gleicher Leistung wesentlich größer dimensioniert werden als Wasserrohre und führen zu einer wesentlichen Schwächung des Bauteils. Dies kann unter Umständen jedoch gewünscht sein, um etwa Deckengewichte zu optimieren. (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H. 2007) 11.2. Kühldecke Kühldecken bieten, wie die Bauteilaktivierung, komfortable Kühlung in Form von Strahlung über eine große Fläche. Sie werden nachträglich an der Decke angebracht und erfordern eventuell eine Zwischendecke. Sie können die Raumgestaltung beeinflussen, sind dafür aber auch nachträglich einsetzbar und flexibler als die Bauteilaktivierung. Regelungstechnisch sind Kühldecken unproblematisch, da keine großen Speichermassen vorhanden sind. (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H. 2007) 11.3. Induktionsanlage Induktionsgeräte blasen frische Luft in den Raum so ein, dass sich Raumluft und Zuluft zum Großteil sofort vermischen. Über eine entsprechende Regulierung der Zuluft kann die Raumluft gekühlt oder erwärmt und die Luftfeuchte eingestellt werden. Die Kühlung oder Erwärmung kann raumspezifisch über ein Wassernetz oder über eine zentrale 38 Klimatisierungseinheit erfolgen. Bei großen Kühlleistungen können durch die tangentialen Strömungswalzen Zugerscheinungen entstehen. Der Einbau kann nachträglich erfolgen, erfordert jedoch großen Platzbedarf und ist nur eingeschränkt flexibel. Erzielbare Leistungen liegen bei 40 bis 80 Watt pro m2 Bürofläche. Induktionsgeräte können je nach Raumnutzung und Geometrie an der Decke, im Boden oder am Parapet installiert werden. (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H. 2007) 11.4. Fan Coils Bei der Kühlung mit Fan Coils wird dem Raum meist keine frische Luft zugeführt, sondern die Raumluft an einer Stelle angesaugt, über Fan Coils gekühlt oder erwärmt und wieder dem Raum zugeführt. Dadurch ist eine Abkühlung und gleichzeitige Entfeuchtung sowie eine Erwärmung möglich. Wird keine Frischluft zugeführt, so reduziert sich der Installationsaufwand für die Rohrführung. Dieses System spricht sehr schnell auf Lastwechsel an und kann für jeden Raum individuell arbeiten. Allerdings sind die Fan Coils wartungsintensiv, erfordern einen Luftwechsel über Fensterlüftung und können Zugerscheinungen bewirken. Die Kästen mit den Fan Coils können an der Decke, im Boden oder am Parapet installiert werden. Erzielbare Leistungen liegen bei 40 bis 80 Watt pro m2 Bürofläche. (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H. 2007) 11.5. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 23: Welche Kälteabgabesysteme kommen für das solare Kühlen infrage? Nennen Sie zwei. 39 12. Ausblick Es ist davon auszugehen, dass die Solarthermie in Zukunft einen größeren Beitrag zur Wärme- und Kältebereitstellung leisten wird müssen. Technologisch zu lösen sind die zu geringen Deckungsgrade, die vor allem an der geringen Speicherkapazität von Wasserspeichern liegen (Weiss/Eberl 2011). „Wichtig ist daher die Entwicklung von neuen Energiespeichern mit höheren Energiedichten (Ziel ist eine 8-fach höhere Energiedichte im Vergleich zu Wasserspeichern). Mit solchen Speichern könnte (zusätzliche Effizienzmaßnahmen vorausgesetzt) der Niedertemperaturbedarf von Gebäuden vollständig gedeckt werden. Weitere zukünftig wichtige Anwendungsbereiche mit großen Potenzialen sind die solare Klimatisierung von Gebäuden sowie die industrielle Prozesswärme und -kälte.“ (Weiss/Eberl 2011) Weiterentwicklungen finden auch im Bereich der Solarkollektoren selbst statt. Zum einen stellt sich die Frage – angesichts der Rohstoffpreise – nach alternativen Materialien zum Beispiel Vollpolymerkollektoren für den Niedertemperaturbereich. (AEE Intec o.J. a) Weitere Entwicklungen zeigen sich beim Einsatz farbiger Fassadenkollektoren zusätzlich zu den bisherigen schwarzen Absorbern. Damit erhöhen sich die Gestaltungsmöglichkeiten für ArchitektInnen, was wiederum zu einer vermehrten Anwendung solarthermischer Anlagen führen könnte. (AEE Intec o.J. b) 40 13. Quellen AEE Intec (o.J. a): Solarthermische Kunststoffkollektoren mit integriertem Überhitzungsschutz. URL: http://www.aeeintec.at/index.php?seitenName=projekteDetail&projekteId=115 (29.06.2012). AEE Intec (o.J. b): Selektive, farbige Fassadenkollektoren – Colourface. URL: http://www.aee-intec.at/index.php?seitenName=projekteDetail&projekteId=43 (29.06.2012). AIT (2012): Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten neuer Arbeitsstoffe in Liquid Desiccant Systemen zur Raumluftkonditionierung. URL: http://www.ait.ac.at/departments/energy/research-areas/energy-for-the-builtenvironment/renewable-heating-and-cooling/ldec/ (29.06.2012). Anforderungen an Auslegung und Konfiguration kleiner und mittlerer Anlagen zur solaren Kühlung (2009): URL: http://www.solairproject.eu/uploads/media/SOLAIR_Guidelines_DE.pdf (29.06.2012). Austria Solar – Verein zur Förderung der thermischen Solarenergie: URL: http://www.solarwaerme.at/Sonne-und-Energie/ (29.06.2012). Bayerisches Landesamt für Umwelt (Hrsg.) (2008): Effiziente Energienutzung in Bürogebäuden. Praxisleitfaden. Brandstetter, F. et al. (2006): Ausbildungsskriptum Solarwärme – 2. Auflage, Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H. Ehorn-Kluttig, H. (2011): Technologie-Weiterentwicklungen im Bereich Gebäude, Gebäudetechnik und Energieversorgung. In: Energetische Quartiersplanung. Methoden – Technologien – Praxisbeispiele. Fraunhofer IRB Verlag. Haas, R. et al. (2011): Strategie zur Mobilisierung des Stromsparpotenzials in Österreich. Endbericht Energie der Zukunft. Klima- und Energiefonds. URL: http://www.eeg.tuwien.ac.at/eeg.tuwien.ac.at_pages/research/downloads/PR_234_Poteta_E ndbericht.pdf (29.06.2012). Kasper, B.R., Weyres-Borchert, B. et al., Leitfaden Solarthermische Anlagen, 8. Auflage, DGS LV Berlin/Hamburg. Klima:aktiv: Solare Raumheizung. Vom Nischenmarkt zum Kassenschlager. Planungsrichtlinien für solare Kombisysteme. Lenz, B., Schreiber, J., Stark, Th. (2010): Nachhaltige Gebäudetechnik. Grundlagen, Systeme, Konzepte. Detail Green Books. Leonhardt, C., Müller, D. (2010): Kombination von Latentwärmespeichern mit Solarthermie. URL: http://www.ibpsa-germany.org/konferenz/paper/2010/131.pdf (29.06.2012). 41 Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H. (2007): Solares Kühlen für Büro- und Dienstleistungsgebäude, hrsg. v. MA 27, EU-Strategie und Wirtschaftsentwicklung Energie und SEP-Koordinierungsstelle. Rakos, Ch. (o.J.): Kühlen mit thermischer Solarenergie und Fernwärme. URL: http://www.eeg.tuwien.ac.at/eeg.tuwien.ac.at_pages/events/egs/pdf/egs040615_rakos.pdf (29.06.2012). Salzburger Institut für Raumordnung & Wohnen (Hrsg.) (2006): Hocheffiziente Solarsysteme im mehrgeschoßigen Wohnbau. URL: http://www.salzburg.gv.at/broschuere_solar.pdf (29.06.2012). SOLAIR (2009): Anforderungen an Auslegung und Konfiguration kleiner und mittlerer Anlagen zur solaren Klimatisierung. URL: http://www.solairproject.eu/uploads/media/SOLAIR_Guidelines_DE.pdf (29.06.2012). S.O.L.I.D.: Referenzanlage – Wasserwerk Andritz. 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Übersicht Aufgaben Aufgabe 1: Welche Möglichkeiten, die Sonnenenergie technologisch zu nutzen, kennen Sie bereits? .......................................................................................................................... 4 Aufgabe 2: Erklären Sie das Funktionsprinzip einer Solaranlage. .......................................... 7 Aufgabe 3: Wozu dient die selektive Beschichtung bei einem Solarkollektor? ......................14 Aufgabe 4: Welche Unterschiede bestehen zwischen Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren? ............................................................................................14 Aufgabe 5: Worin unterscheiden sich Luftkollektoren wesentlich von Flachkollektoren?.......14 Aufgabe 6: Was sagt der Kollektorwirkungsgrad aus? ..........................................................16 Aufgabe 7: Für welche Anwendungsmöglichkeiten lässt sich die Solarthermie nutzen? .......23 Aufgabe 8: Recherchieren Sie Anwendungsbeispiele der solaren Prozesswärme z. B. unter http://www.solarwaerme.at/Sonne-und-Energie/Prozesswaerme/ .................................23 Aufgabe 9: Was ist der charakteristische Unterschied zwischen einer Kompressionskälteanlage von einer Sorptionskälteanlage? ..........................................31 Aufgabe 10: Wodurch unterscheidet sich Absorption und Adsorption? .................................31 Aufgabe 11: Welche Arbeits-Stoffpaare können in Absorptionsanlagen verwendet werden und welche Antriebstemperatur ist ihnen zugeordnet? ..................................................32 Aufgabe 12: Wie kommt die Nutzkälte bei der Absorptionskältemaschine zustande? ...........32 Aufgabe 13: Welche Anlagentypen können bei den Absorptionskältemaschinen unterschieden werden? .................................................................................................32 Aufgabe 14: Beschreiben Sie das Funktionsprinzip einer Absorptionskältemaschine, einer Adsorptionskältemaschine sowie einer DEC. ................................................................32 Aufgabe 15: Welche Arbeits-Stoffpaare können Sie für Absorptionskältemaschinen nennen, und welche Antriebstemperaturen werden ihnen zugeordnet? ......................................32 Aufgabe 16: Welche Kollektortypen kommen für die solare Kühlung infrage? ......................32 Aufgabe 17: Welche Anwendungen für die solare Kühlung können Sie nennen? .................32 Aufgabe 18: Wodurch unterscheiden sich Ab- und Adsorptionskältemaschinen? Nennen Sie zwei wesentliche Unterschiede......................................................................................32 Aufgabe 19: Wodurch unterscheiden sich DEC von Ab- bzw. Adsorptionskälteanlagen? .....32 Aufgabe 20: Aus welchen Teillasten setzt sich die Kühllast zusammen? ..............................37 Aufgabe 21: Wodurch werden die äußeren Lasten bestimmt?..............................................37 43 Aufgabe 22: Durch welche Faktoren wird der Energieeintrag bei transparenten Fassaden bestimmt?......................................................................................................................37 Aufgabe 23: Welche Kälteabgabesysteme kommen für das solare Kühlen infrage? Nennen Sie zwei. ........................................................................................................................39 44 15. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Die Sonnenenergie ist mittlerweile für Anwendungen nutzbar, die früher undenkbar gewesen wären (Quelle: Stefan Prokupek, GrAT)......................................... 4 Abbildung 2: System einer Solaranlage mit einem zusätzlichen Heizkessel (bivalentes System) (Quelle: GrAT) .................................................................................................. 6 Abbildung 3: Solarkreislauf (Quelle: Kino; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Solarkreis.PNG&filetimestamp=20080525 114449) .......................................................................................................................... 7 Abbildung 4: Aufbau eines Flachkollektors (Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei: Sonnenlichtkollektor.png&filetimestamp=20040725145740)........................................... 8 Abbildung 5: Verschiedene Kollektortypen (Quelle: B.R. Kasper, B. Weyres-Borchert et al., Leitfaden Solarthermische Anlagen, 8. Auflage, DGS LV Berlin_Hamburg, ISBN 978 3 00 025562 5.) ................................................................................................................. 9 Abbildung 6: Flachkollektor (Quelle: B.R. Kasper, B. Weyres-Borchert et al., Leitfaden Solarthermische Anlagen, 8. Auflage, DGS LV Berlin_Hamburg, ISBN 978 3 00 025562 5) ...................................................................................................................................10 Abbildung 7: Aufbau eines Vakuumröhrenkollektors (Quelle: RaBoe/Floh1992; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Vakuumroehrenkollektor_aufbau.png&file timestamp=20090214125700) .......................................................................................11 Abbildung 8: Gebäude mit Luftkollektoren (Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Luftkollektor_2010-by-RaBoe-02.jpg) ...............11 Abbildung 9: Kombispeicher (Quelle: B.R. Kasper, B. Weyres-Borchert et al., Leitfaden Solarthermische Anlagen, 8. Auflage, DGS LV Berlin_Hamburg, ISBN 978 3 00 025562 5.) ..................................................................................................................................13 Abbildung 10: Wirkungsgrad-Kennlinien verschiedener Kollektortypen (Quelle: Ingenieurbüro Junge; http://www.ing-büro-junge.de) ............................................................................15 Abbildung 11: Schwerkraftanlage (schematisch) für Warmwasserbereitung: 1: Zapfstelle 2: Isolierter Speicherbehälter 3: Aufwärts zirkulierendes erwärmtes Wasser 4: Sonnenkollektor 5: Frischwasserzufluss (Quelle: Rainer Bielefeld; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei: Thermosiphon2.png&filetimestamp=20060518173448).................................................19 Abbildung 12: Konventionelles Klimagerät (Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei: Air_conditioning_unitde.svg&filetimestamp=20100528071841)......................................................................24 45 Abbildung 13: Kreislauf einer Absorptionskältemaschine (Quelle: Famulus; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Absorptionsk%C3%A4ltemaschine.png&fi letimestamp=20120306214950) ....................................................................................26 Abbildung 14: Absorptionswärmepumpe mit einer Kälteleistung von 14.000 kW (Quelle: Reinraum; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Absorption_heat_pump.jpg&filetimestamp =20091127163731) .......................................................................................................28 Abbildung 15: Funktionsprinzip einer diskontinuierlich arbeitenden Adsorptionskältemaschine: (Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Adsorptions-Kältemaschine.png &filetimestamp=20120311150300) ................................................................................29 Abbildung 16: Schematische Darstellung einer DEC-Anlage (Quelle: GrAT) ........................30 16. Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Arbeits-Stoffpaare für Sorptions-Kälteanlagen (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H., 2007) ............................................25 Tabelle 2: Arbeits-Stoffpaare für Adsorptionskälteanlagen ...................................................29 46 17. Impressum Herausgeber und für den Inhalt verantwortlich: GrAT - Gruppe Angepasste Technologie Technische Universität Wien Wiedner Hauptstraße 8-10 1040 Wien Austria T: ++43 1 58801-49523 F: ++43 1 58801-49533 E-Mail: contact(at)grat.at http://www.grat.at Projektleiterin und Ansprechperson: Dr. Katharina Zwiauer E-Mail: katharina.zwiauer(at)grat.at AutorInnen: Dr. Katharina Zwiauer, DI (FH) Roland Sterrer BSc. Fachdidaktisierung: Dr. Katharina Zwiauer, Magdalena Burghardt MA Lektorat: Mag. Silvia Grillitsch Finanziert durch: Nutzungsbedingungen: Alle Inhalte sind unter folgender Creative-Commons-Lizenz lizensiert: e-genius steht unter einer Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Austria Lizenz. Das bedeutet: 47 Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, Abwandlungen und Bearbeitungen des Werkes bzw. Inhaltes anfertigen. Zu den folgenden Bedingungen: Namensnennung — Sie müssen den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen. Keine kommerzielle Nutzung — Dieses Werk bzw. dieser Inhalt darf nicht für kommerzielle Zwecke verwendet werden. Weitergabe unter gleichen Bedingungen — Wenn Sie das lizenzierte Werk bzw. den lizenzierten Inhalt bearbeiten oder in anderer Weise erkennbar als Grundlage für eigenes Schaffen verwenden, dürfen Sie die daraufhin neu entstandenen Werke bzw. Inhalte nur unter Verwendung von Lizenzbedingungen weitergeben, die mit denen dieses Lizenzvertrages identisch oder vergleichbar sind. Hinweise zur Namensnennung/Zitierweise: Texte: AutorInnen des Lernfelds, Titel des Lernfelds. Hrsg.: GrAT, www.e-genius.at Bilder: Nennung der Rechteinhaberin/des Rechteinhabers und www.e-genius.at Haftungsausschluss: Sämtliche Inhalte auf der Plattform e-genius wurden sorgfältig geprüft. Dennoch kann keine Garantie für die Richtigkeit, Vollständigkeit, Aktualität und Verfügbarkeit der Inhalte übernommen werden. Der Herausgeber übernimmt keinerlei Haftung für Schäden und Nachteile, die allenfalls aus der Nutzung oder Verwertung der Inhalte entstehen. Die Zurverfügungstellung der Inhalte auf e-genius ersetzt keine fachkundige Beratung, die Abrufbarkeit der Inhalte ist kein Anbot zur Begründung eines Beratungsverhältnisses. e-genius enthält Links zu Webseiten Dritter. 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