Reportage des Baukörpers ausgeglichen werden. Verfahren und Systeme der solaren Kühlung Kühlung mit thermischer Solarenergie GVZ-Ingolstadt zeigt Machbarkeit solarer Klimatisierung in Deutschland In Deutschland wird derzeit die Hälfte aller größeren Büroneubauten mit Klima-Anlagen ausgerüstet, mit stark steigender Tendenz. Die Nutzung von Solarenergie für die Kühlung von Gebäuden stößt dabei auf großes Interesse bei Planern und Gebäudeeigentümern. Neben einer deutlichen Reduktion des CO2-Ausstoßes ist der Einsatz moderner Solar- und Klimatechnik auch wirtschaftlich rentabel. Wie zur Klimatisierung Sonnenenergie eingesetzt werden kann, zeigt unsere Objekt-Reportage über die erste solarunterstützte DECKlimaanlage* Bayerns im neuen Service-Center des Güterverkehrszentrums Ingolstadt. D er Hauptanteil der sommerlichen Kühllast resultiert üblicherweise aus der solaren Einstrahlung und der Transmission durch die Gebäudehülle aufgrund hoher Außentemperaturen. Zusätzlich gibt es in modernen Büros und gewerblichen Räumen innere Lasten durch Computer, Kopierer sowie Beleuchtung und Personen. Auch der vermehrte Glasein- *) DEC – Desiccant and Evaporative Cooling – sinngemäß ins Deutsche übersetzt: Kühlung durch Trocknung und Verdunstung. 20 satz in der Fassadenarchitektur moderner Gebäude führt zu einem steigenden Kühlbedarf. Daraus resultiert derzeit ein erhöhter Einsatz von konventioneller Kühlung, die den Stromverbrauch, verur­sacht durch Kompressionskältemaschinen, stark ansteigen lässt. Eine Alternative dazu liegt in den inzwischen weit entwickelten Verfahren solar unterstützter Kühlung, die das fast phasengleiche auftreten von Sonneneinstrahlung und daraus resultierender äußerer Kühllast ausnutzt, um Räume mit Klimakälte zu versorgen. Der Kühlbedarf steigt und fällt sowohl saisonal als auch im Tagesverlauf nahezu phasengleich mit dem Angebot an diffuser und direkter Strahlung. Aufgrund des Speichervermögens des Baukörpers liegt die zeitliche Verschiebung zwischen der Antriebsenergie und der Kühllast des Gebäudes im Bereich von ein bis drei Stunden und kann durch Heiß- oder Kaltwasserpuffer sowie über die thermische Aktivierung Solare Kühlanlagen sind technologisch ausgereift. Je nach Art des verwendeten Funktionsbetriebs wird zwischen den geschlossenen Verfahren, bei denen thermisch angetriebene Kältemaschinen zur Kaltwasserbereitstellung zum Einsatz kommen und den offenen Sorptionsverfahren zur direkten Luftkonditionierung unterschieden. Bei dem nachfolgend näher betrachteten offenen DEC-Verfahren handelt es sich um eine offene Prozessführung, bei der die Luft direkt, ohne Zwischenschaltung eines Kältemittelkreislaufes, gekühlt wird. Die Kälteerzeugung erfolgt dabei auf Basis von Lufttrocknung (Adsorption an der Silikagelschicht des Sorptionsrades) und einer anschließenden Verdunstungskühlung (Wäscherbefeuchtung). Die minimalen Zulufttemperaturen liegen dabei zwischen 16 und 18 °C. Für die Regeneration des Sorptionsmaterials (Desorption) wird die gewonnene Wärmeenergie der Sonnen-Kollektoren verwendet. Geschlossene Ab- oder Adsorptions-Systeme sind eher vergleichbar mit konventi­ onellen Kompressions-Kältemaschinen. Die thermisch angetriebenen Kältemaschi- ∂ Übersicht über die Systeme zur solaren Kühlung. Bild: Conergy AG IKZ-FACHPLANER · Heft 4 /2006 Reportage ∂ Schematische Darstellung des DEC-Prozesses. ∂ Beide DEC-Klimaanlagen wurden in Dachzentralen untergebracht. Jede An- Bild: Kompetenzzentrum Solarenergie lage ist für eine Luftmenge von 8000 m3/h ausgelegt und hat eine Kühlleistung von ca. 35 kW. Bild: Kompetenzzentrum Solarenergie nen liefern Kaltwasser zwischen 6 und 20 °C und sind damit für Zentralklimageräte und Klima-Kälterohrnetze mit dezentraler Luftbehandlung einsetzbar. Das benötigte Temperaturniveau zum Antrieb der AbsorptionsKältemaschine liegt dabei deutlich höher als bei den offenen Verfahren, wodurch ein Betrieb mit kostengünstigen Flachkollektoren schwierig ist. Zur Realisierung der solargestützten Kühlung im Gebäude der Wirtschaftsförderungsgesellschaft IFG Ingolstadt wurde auch aus diesen Gründen eine DEC-Klima-Anlage gewählt. Der Prozess soll nachfolgend näher betrachtet werden. dem Wäscher-Befeuchter (3), wird die Zuluft bei gleichzeitiger Feuchtigkeitszunahme adiabatisch auf das gewünschte Temperaturniveau gekühlt. Die so klimatisierte Zuluft wird dem Raum über einen Ventilator (4) zugeführt. Erwärmte, feuchte Luft aus den Räumen wird im Abluft-Befeuchter (5) adiaba- tisch gekühlt, wodurch eine größere Temperaturdifferenz zur Wärme- bzw. Kälterückgewinnung erreicht wird. Im Rotationswärmetauscher (6) wird die im Zuluftstrom an den Rotor abgegebene Wärme vom Abluftstrom aufgenommen und zur Regeneration des Sorptionsmaterials vorgewärmt. Im Erhitzer (7) wird Darstellung des DEC-Prozesses und der Luftzustände im Mollier h-x-Diagramm Im DEC-Prozess wird Außenluft zur Entfeuchtung durch ein Sorptionsrad (1) geleitet, in dem der in der Luft enthaltene Wasserdampf an die hygroskopische Oberfläche des Sorptionsmaterials gebunden wird. Dabei wird Kondensationswärme frei, die zunächst die Zuluft erwärmt. Im anschließenden Wärmerückgewinnungsrotor (2) wird sie vorgekühlt. Im Kühlsystem, dann das notwendige Temperaturniveau von mindestens 50 bis 70 °C zur Regeneration des Sorptionsrades erreicht. Die Nachheizung kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen. Im Ingolstädter Pilotprojekt wird sie im Wesentlichen durch den Solarkollektorkreis bereitgestellt. Darüber hinaus kann die Kondensator­ abwärme einer Wärmepumpe genutzt werden. Schließlich nimmt die erhitzte Luft im Sorptionsrotor (8) die im Silikagel gebundene Feuchtigkeit auf und regeneriert so das Sorptionsrad. Die nun warme und feuchte Fortluft wird über einen Ventilator (9) ins Freie ausgeblasen. Zusätzlich kann ein Erhitzer (A) in den Zuluftstrom vor den Ventilator (4) integriert werden. Ist ein Luftaustausch im Winter erforderlich, wird der Erhitzer (A) von den Kollektoren bzw. dem Speicher geheizt und erwärmt somit die Zuluft auf das gewünschte Temperaturniveau. Die solare Kühlung der Luft erfolgt also über einen rein thermischen Prozess und benötigt Wärmeenergie mit einem Temperaturniveau, das von Flachkollektoren durchaus bereitgestellt werden kann. Der Vorzug die- ∂ Der Zyklus der sorptionsgestützten Klimatisierung im Mollier-h-xDiagramm. Heft 4 /2006 · IKZ-FACHPLANER Bild: Kompetenzzentrum Solarenergie 21 Reportage Nachgefragt IKZ-Fachplaner: Herr integrierten Gesamtsystems Zörner, Sie haben das Pro- eingehend beleuchten zu jekt um die solarbetriebene können. Klimatisierung mit initiiert IKZ-Fachplaner: Im vorund die Planung der Anla- liegenden Objekt sind zur efge begleitet. Außerdem wird fizienten und umweltschovom Kompetenzzentrum So- nenden Bereitstellung von lartechnik ein Monitoring Kühl- und Heizenergie des der Anlage durchgeführt. Gebäudes eine Vielzahl von Was bringt ein solches Mo- technischen Maßnahmen nitoring und wann werden miteinander kombiniert worerste Erkenntnisse aus dem den. Wie sollten Planer, die Betrieb der solarbetriebenen sich einer so komplexen AufDEC-Anlage vorliegen? gabe stellen, bei der AusleWilfried Zörner: Wir hof- gung und Abstimmung der fen, dass zukünftig die Er- einzelnen Komponenten vorfahrungen aus unserem Pro- gehen, um eine möglichst efjekt helfen werden, Planung fektive und wirtschaftliche und Umsetzung solcher Vor- Gesamtversorgung zu erreihaben wesentlich effizienter chen? zu gestalten. Zur solaren Kli- Wilfried Zörner: Das ist eine matisierungsanlage liegen sehr interessante Frage! Einer momentan der Gründe, noch keine In der Vorplanungs- warum wir belastbadieses Projekt phase werden die ren Daten durchführen, vor, da das ist eben geentscheidenden Kollektorrade die BeWeichenstellungen feld und die antwortung für den Erfolg solcher dieser FraDEC-Anlage erst Ende ge. Erst die Bauvorhaben des letzten Synergien, vorgenommen. Sommers die durch eingeregelt die Zusamwaren. Gemenarbeit gen Ende dieses Jahres wer- der einzelnen Komponenten den wir umfangreiche Ergeb- entstehen, machen den Einnisse im Bezug auf die solare satz jeder einzelner KompoKlimatisierung präsentieren nente sinnvoll. So wird beikönnen. Wir werden noch ein spielsweise die Abwärme weiteres Jahr messen, um alle des Kollektorfeldes ja nicht Aspekte dieses vorbildhaften, nur zur solaren Klimatisie- » « � Über das Pilotprojekt „Solare Kühlung mit DEC-Klimaanlagen im GVZ-Ingolstadt“ sprach die IKZFACHPLANER-Redaktion mit Prof. Dr.-Ing. Wilfried Zörner vom Kompetenzzentrum Solartechnik an der Fachhochschule Ingolstadt. rung genutzt, sondern auch für die Brauchwassererwärmung des Hotels, für die Heizungsunterstützung und die Beladung des Erdspeichers. Mithilfe der Wärmepumpe können sogar solare Erträge genutzt werden, die ohne die Wärmepumpe nicht nutzbar wären. Durch die Mehrfachnutzung der einzelnen Komponenten kann jede einzelne Komponente mit einer kleineren Leistung ausgelegt werden. Schwierig abzuschätzen ist dabei, um wie viel sich die notwendige Leistung reduziert und wie gut die Komponenten tatsächlich zusam- menarbeiten. Unser Ziel ist es, Überdimensionierungen in Zukunft vermeidbar zu machen, indem man aus den Erfahrungen bei diesem Pilotprojekt lernt. Der Planer muss besonders großen Wert auf die Vorplanungsphase legen, denn dort werden ja die entscheidenden Weichenstellungen vorgenommen und damit der technisch-wirtschaftliche Erfolg des Projekts festgelegt. IKZ-Fachplaner: Die solare Kühlung verspricht aufgrund des größtenteils phasengleichen Auftretens von Kühllast und Strahlungsangebot einen wirtschaftlichen Betrieb. Wie sehen Sie die Chancen für die solare Kühlung mit DEC-Anlagen in Deutschland angesichts des enormen Energieeinsparpotenzials im Gebäudebestand sowie im Neubau? Wilfried Zörner: Die Komfort­ ansprüche der Nutzer werden immer größer, die Architektur dagegen baut mehr und mehr Gebäude, die mit gro­ ßen Glasflächen zunehmend repräsentative Zwecke erfüllen, aber gleichzeitig die äußeren Wärmelasten drastisch erhöhen. Klimatisierung wird also immer wichtiger. Bevor man allerdings aktive Kühlung in Neubauten verwirklicht, sollten immer zuerst alle Möglichkeiten der pas- ser Technologie besteht dabei darin, dass elektrische Energie lediglich zum Antrieb der Ventilatoren benötigt wird, während z. B. Kompressionskältemaschinen die komplette Verdichterarbeit aus elektrischer Energie gewinnen. Wird weiterhin berücksichtigt, dass zur Bereitstellung dieser Ener­ gie ein etwa 3-facher Primär­ energieaufwand erforderlich ist, so zeigt dies deutlich, welche CO2-Einsparungen durch den Einsatz von solar betrie- benen DEC-Anlagen erreichbar sind. wurden zur Bereitstellung der zur Regeneration des Sorptionsmaterials notwendigen Wärmeenergie auf dem Flachdach des Gebäudes aufgeständert. Bild: Conergy AG 22 IKZ-FACHPLANER · Heft 4 /2006 Erzeugung der Antriebs­ energie durch Flach-Kollektoren Da der Kühlbedarf nahezu zeitgleich mit dem Ange∂ Insgesamt 280 m2 Flachkollektoren Reportage siven Kühlung ausgeschöpft darf des Gebäudes rechnen sein. Dabei wird, wie Sie völ- Sie? lig richtig sagen, die solare Wilfried Zörner: Bei unKlimatisierung immer inte­ serem System gibt es immer ressanter, nicht zuletzt unter einen Abnehmer für die sodem wirtschaftlichen Blick- lare Wärme, sodass zum eiwinkel. Die DEC-Technik bie- nen die Nutzungszeit der Sotet dazu eine laranlage geVielzahl von genüber den Bei unserem Vorteilen, meisten konSystem gibt es immer ventionellen gegen­über anderen einen Abnehmer für Systemen thermischen hoch sein die solare Wärme. Prozessen, wird und dadie zur soher das Kollaren Klimatisierung ein- lektorfeld auch nie in Stillgesetzt werden können, so- stand gehen wird. dass ich für die DEC-Technik Bei der solaren Klimatisiedurchaus auch Chancen in rung wird der Anteil der Deutschland sehe. Es handelt vom Kollektorfeld geliefersich ja um eine ausgereifte ten Energie für den RegeneTechnik, die solarbetrieben rationslufterhitzer im Prinbesonders interessant wird. zip bei 100 % liegen, weil nur Ich denke, auch eine Nach- das Kollektorfeld die hohen rüstung bei einer vorhande- Temperaturen bereitstellen nen Lüftungsanlage im Ge- kann und ohne Sonneneinbäudebestand kann unter ge- strahlung die Klimatisierung wissen Umständen durchaus ohne den Regenerationsluft­ sinnvoll sein. erhitzer auskommt. Also ein IKZ-Fachplaner: Die Kol- hoher Solarertrag ist durchlektoren versorgen das Ge- aus zu erwarten, aber ein hobäude sowohl mit Wärme- her solarer Deckungsbeitrag energie für die DEC-Kühlung zur gesamten Energieversorals auch für Warmwasserbe- gung des Gebäudes ist nicht reitung und Heizung. Da- das Ziel, denn die Grundlast bei wird überschüssige Ener- für Heizen und Kühlen wird gie den Pufferspeichern bzw. über die Wärmepumpe abeinem Erdspeicher zugeführt. gedeckt. Beste Voraussetzungen also IKZ-Fachplaner: Eine für einen hohen Solarertrag. Frage zur Befeuchtung der Mit welchen Deckungsbeiträ- Zuluft. Kann eigentlich bei gen der thermischen Solaran- Außenluftzuständen mit lage am Heiz- und Kühlbe- geringer absoluter Feuchte » « bot an Sonnenergie steigt und fällt, ist es nahe liegend, diese Komponenten zu verknüpfen, um den gewünschten Zuluft-Zustand zu erzeugen. Für die Klimatisierung von Gebäuden mit solarthermischer Kühlung ist es notwendig, Antriebstemperaturen von mindestens 50 bis 70 °C für den Kühlungsprozess zur Verfü- Heft 4 /2006 · IKZ-FACHPLANER gung zu stellen. Die Anforderungen an Kollektoren zur solaren Kühlung sind vergleichbar mit denen der solaren Heizungsunterstützung. Kollektoren zur Heizungsunterstützung benötigen eine verbesserte Dämmung, da die Differenz zwischen mittlerer Kollektortemperatur (tm = 40 bis 60 °C) und Umgebung (ta = -10 bis +10 °C) auf Werte um die 50 °C steigen kann. Bei der solaren Kühlung ist die Differenz ähnlich, jedoch ist die und gleichzeitigem Kühlbe- likagel oder Lithiumchlorid darf zeitweise mit dem Luft- gesundheitlich unbedenkbefeuchter ausreichend ge- lich und arbeiten quasi verkühlt werden? schleißfrei, was einen reduWilfried Zörner: Natürlich zierten Wartungsaufwand ist dies möglich. Bei gerin- bedeutet. Es werden keine ger absoluter Luftfeuchte er- gesundheitlich bedenklichen spart man sich das aufwen- und ozonschädlichen Kältedige Entfeuchten und kann mittel verwendet. Das Verdann über die beiden Luft- fahren darf daher als umbefeuchter den gewünschten weltfreundlich bezeichnet Luftzustand einregulieren. werden. Leckagen sind unIKZ-Fachplaner: Wo se­ problematisch. Ein weiterer, hen Sie die Hauptvorteile des großer Vorteil ist sicherlich, DEC-Prozesses gegenüber den dass ein DEC-Gerät eine vollAbsorptionskältemaschinen, ständige Klimaanlage ist, die bei denen ja ebenfalls rege- nicht nur heizen und kühnerative Energien zur Bereit- len kann, sondern auch die stellung von Klima-Kälte ein- Möglichkeit zur Be- und Entgesetzt werden können? feuchtung bietet. So ist keiWilfried Zörner: Als einer ne energieaufwendige Tauder Hauptvorteile ist zuerst punktsunterschreitung zur die offene Prozessführung Entfeuchtung nötig. Schließzu nennen: Im Gegensatz zu lich kann die Regeneration anderen Klides Sorptimasystemen onsrotors, Ein Sorptionsrad arbeitet die d.h. ein Ansorptionsgetrieb des ermöglicht im stützte KliProzesses, Winterfall hohe matisierung bereits ab bei atmo- Rückwärmezahlen von Temperasphärischem turen um bis zu 95 %. Druck. Da50 °C erdurch ergibt reicht wersich ein geringerer Aufwand den. Nicht zu übersehen ist zur Abdichtung als bei Syste- im Übrigen auch, dass das men, die bei Unterdruck oder zusätzlich zum WärmerückÜberdruck arbeiten, was na- gewinnungsrotor betriebene türlich die Kosten für die In- Sorptionsrad hohe Rückwärstallation und Instandhal- mezahlen von bis zu 95 % im tung der Anlage stark senkt. Winterfall ermöglicht. Des Weiteren sind die eingesetzten Trockenmittel Si- » « Globalstrahlung im Sommer wesentlich größer. Während für den Betrieb einer herkömmlichen Solarthermie-Anlage in der Regel nicht mehr als 10 bis 30 Kollektoren notwendig sind, benötigt man für solare Kühlung größere Kollektorfelder. Um den Leistungsbedarf für übliche Kühlanwendungen zu decken, werden in der Regel mindestens 200 m² benötigt. Der Feldaufbau besteht dann aus 100 Kollektoren, die in einem System zusammenwirken. Dabei hat der interne konstruktive Aufbau der Rohrregister einen erheblichen Einfluss auf die gleichmäßige Durchströmung der Einzelfelder. Eine hydraulisch abgeglichene Fluidführung mit geringem Druckverlust gewährleistet eine konstante 23 Reportage Leistungsfähigkeit der Kollektoren. Bei ungleichmäßiger Durchströmung können sich lokale Überhitzungen, so genannte Hot Spots bilden, die zur Leistungsstagnation und weiterhin zur irreversiblen Schädigung der eingesetzten Wärmeträgerflüssigkeit führen können. Pilotprojekt: Service Center des Güterverkehrszentrums in Ingolstadt Das neue Service Center im Güterverkehrszentrum (GVZ), Gebäude J, wurde in unmittelbarer Nähe zur Audi AG errichtet. Neben der Nutzung als Ausbildungszen­trum der Audi AG und der Seat Deutschland GmbH, die rund 45 % der Flächen belegen, stehen auf einer Gesamtfläche von ca. 9000 m² Büroflächen, ein Filmstudio sowie ein Hotel im 2. OG zur Verfügung. Die Integration innovativer Gebäudetechnik stand bei der Planung des Gebäudes von Beginn an im Vordergrund. So erfolgt die Beheizung des Gebäudes über fünf Wärmepumpen, die aus den Erdsonden, dem Erd- und Bodenplattenspeicher sowie durch Solarkollektoren versorgt werden. Die Kühlung erfolgt analog der Heizung über die Wärmepumpen und die Bauteilaktivierung. Die zur Bereitstellung der Außenluftrate erforderlichen Luftmen- ∂ Zur Nachtauskühlung werden über die GLT Fenster elektrisch geöffnet und ein Abluftventilator geschaltet. Diese Maßnahme reduziert die Kühllast innerhalb der Büroräume und entlastet so die solare Kühlung. Bild: Kompetenzzentrum Solarenergie. gen werden über zwei solargestützte DEC-Klimaanlagen abgedeckt. Unterstützt wird der Prozess durch Nachtauskühlung des Gebäudes, die durch elektrisch gesteuerte Fenster und eine separate Lüftungsanlage erreicht wird. Weiterhin verfügt das Gebäude über eine fassadenintegrierte Photovoltaik-Anlage mit einer Leistung von 18 kWp. Auf dem Dach des Gebäudes wurden erstmals in Bayern zwei Anlagen zur solaren Kühlung installiert, die nach dem offenen DEC-Prozess arbeiten. Die Vollklima-Anlagen haben jeweils einen Luftdurchsatz von 8000 m³/h und eine Kühlleistung von etwa 35 kW. Hochleistungs-Flachkollektoren, unter anderem vom Typ Conergy F 6000, treiben die Vollklima-Anlage an, die ihre thermische Energie vollständig von der Sonne bezieht. Insgesamt wurden 140 Kollektoren mit einer Gesamtfläche von 280 m² auf dem Flachdach aufgeständert. Neben der Klimatisierung stellt die solarthermische Anlage ganzjährig das Warmwasser für die Gäste des 70 Betten Hotels im 2. OG des Gebäudes bereit. Anlagen-Monitoring soll bei der Planung zukünftiger Anlagen helfen ∂ Das Technikkonzept des Gebäudes sieht zur Energieversorgung Wärmepumpen und Solarthermie vor. Als Energiespeicher dienen Pufferspeicher, Betonund Tiefensonden. Bild: Kompetenzzentrum Solarenergie 24 Das Projekt wurde von dem Architektur- und Ingenieurbüro pbb aus Ingolstadt gemeinsam mit dem Kompetenzzen­ trum Solartechnik der Fachhochschule Ingolstadt und dem Bauherrn, der IFG Ingolstadt GmbH, initiiert. Die gesamte Gebäudetechnik, wie beispielsweise die sorptionsge- stützten Klimaanlagen, werden seit der offiziellen Inbetriebnahme im Juli 2005 messtechnisch untersucht und die gewonnenen Daten ausgewertet. Ziel der Untersuchung ist es, die Anlagenauslegung beurteilen zu können, um Unsicherheiten bei der Planung zukünftiger Anlagen zu beseitigen und um die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit solarer Klimatisierung auch in unseren Breitengraden aufzuzeigen. Besser einschätzbare Investitionskosten einerseits und erhöhte Akzeptanz bei potenziellen Kunden andererseits sollen die positiven Folgen für die sorptionsgestützte solare Klimatisierung sein. Die wissenschaftliche Betreuung der Anlage wird vom Kompetenzzentrum Solartechnik an der Fachhochschule Ingolstadt durchgeführt. Das Monitoring wird vom Bayerischen Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen gefördert. Fazit Es zeigt sich, dass auch ohne Investitionsförderung der Einsatz regenerativer Ener­gien wirtschaftlich möglich ist. Dies kann jedoch nur durch ein ganzheitliches Gebäudekonzept, also durch die Synergie von Architektur, Konstruktion, Bauphysik, und Gebäudetechnik, erreicht werden. Die Architektur muss dazu aus der funktionalen Nutzung des Gebäudes entstehen. Voraussetzung dafür ist eine frühzeitige Integration aller Fachplaner. Gefragt sind hier innovative Ansätze in der Planung und Lösungen, die handwerklich kostengünstig realisierbar sind. Dies konnte im Rahmen des vorgestellten Projektes zur Zufriedenheit des Bauherrn und der Nutzer umgesetzt werden. ∂ @ Internetinformationen: www.solartechnik-ingolstadt.de www.conergy.de IKZ-FACHPLANER · Heft 4 /2006