Solarthermische Klimatisierung

Kühl kalkuliert

Während herkömmliche Kompressionskältemaschinen die reinsten Stromfresser sind, lassen sich mit solarthermischen Kühlsystemen Energiekosten einsparen: Steht preiswert Wärme zur Verfügung – sei es von Solarkollektoren oder als industrielle Abwärme – sind sie die ökologisch wie ökonomisch sinnvollere Alternative. Auch kommen hierbei keine ozonschädlichen Substanzen zum Einsatz. Doch wo liegen die Unterschiede zwischen den derzeit gängigen Sorptions- oder DEC-Systemen, außer dass erstere Kaltwasser erzeugen und in den Kaltwasserkreislauf eingebunden werden und letztere, integriert in die Lüftungsanlage, kühlen und zusätzlich die Raumluft entfeuchten können?

Text: Bernhard Lenz

Steigende Ansprüche an den thermischen Komfort, die Zunahme interner Wärmequellen und steigende Außentemperaturen führen zu einem dauerhaft ansteigenden Klimatisierungsbedarf von Innenräumen. Innerhalb der EU wird mit einem prognostizierten Anstieg klimatisierter Flächen von durchschnittlich 3 m2 / Einwohner im Jahr 2000 bis auf etwa 6 m2 / Einwohner im Jahr 2020 gerechnet. Die Zunahme der klimatisierten Flächen ist mit einem Anstieg des Verbrauchs an elektrischer Energie verbunden, da in der Regel nur konventionelle Kompressionstechnik zum Einsatz kommt. Allein in Deutschland werden derzeit schon etwa 40 000 GWh/a an elektrischer Energie für die Klimatisierung von Bürogebäuden benötigt [1], was in etwa dem jährlichen Energieverbrauch von 10 Mio. Haushalten entspricht.
Entwicklung
Allgemein wird unter dem Begriff der »solaren Kühlung« eine Temperierung von Gebäudeinnenräumen unter Ausnutzung thermischer Solarenergie verstanden. Die marktverfügbaren Technologien können jedoch auch mit Wärme aus anderen Quellen betrieben werden, etwa mit industrieller Abwärme aus Kopplungsprozessen wie beispielsweise aus Blockheizkraftwerken. Die Grundlagen der solarthermischen Kühlung sind allerdings keineswegs neu. So wurde beispielsweise der Absorptionskälteprozess, der zur solaren Kühlung genutzt werden kann, bereits in den Zwanzigerjahren von dem schottischen Physiker Sir John Leslie entwickelt. Die ersten kommerziellen Absorptionskälteanlagen brachte das Unternehmen Carrier bereits Mitte des 20. Jahrhunderts auf den Markt. Heute ist der Marktanteil solarer Kühlsysteme gegenüber konventionellen Kompressionskältesystemen jedoch noch immer extrem gering: In ganz Europa sind derzeit nur etwa 120 Anlagen mit einer solarbasierten Kälteleistung von insgesamt rund 12 MW installiert [2].
Vor dem Hintergrund der Entwicklungen in den USA und Japan, wo derzeit etwa 55 % beziehungsweise 70 % aller Haushalte mit einem Kompressionskältesystem ausgestattet sind [2], muss auch in Europa mit einer starken Zunahme von Kühlsystemen speziell im niedrigen und mittleren Leistungsbereich gerechnet werden. Im Unterschied zu großen elektrischen Kompressionskältemaschinen, die mit einem COP (coefficient of performance = Q Nutzkälte/Q Antriebsenergie) von 5–6 hohe Leistungszahlen erreichen können, weisen die marktdominierenden Kleinanlagen – meist sogenannte Klimasplittgeräte – nur geringere Leistungszahlen mit einem durchschnittlichen COP von etwa 2,75 auf und sind somit deutlich weniger energieeffizient als größere Geräte [3]. Und obwohl gerade in den unteren Leistungsbereichen (unter 5 kW) eine starke Nachfrage auch an alternativen Systemen zu erwarten ist, sind im Gegensatz zu solaren Kältesystemen hoher Leistungsbereiche bisher noch keine entsprechenden Systeme auf dem Markt. ›
Solare Klimatisierungssysteme
Die derzeit eingesetzten, solarthermischen Kühlverfahren lassen sich prinzipiell in sogenannte geschlossene und offene Systeme differenzieren. Geschlossene Verfahren wie Ab- oder Adsorptionskälteanlagen stellen Kaltwasser bereit, das zum Beispiel in Umluftkühlern, Konvektoren, Kühldecken oder in Lüftungsanlagen genutzt werden kann. Offene Verfahren wie die sorptionsgestützte Klimatisierung in Form von DEC-Anlagen (Desiccant Evaporative Cooling) erzeugen Kaltluft und arbeiten vergleichbar einer Klimaanlage (vgl. Abb. 5, 7). Am häufigsten verwendet werden Absorptionskältemaschinen, gefolgt von DEC-Systemen.
In der Entwicklung befinden sich Dampfstrahlkältemaschinen, zu denen derzeit jedoch nur wenige Erfahrungen vorliegen. Des Weiteren existieren theoretisch noch das Photovoltaik-Peltier und das Photovoltaik-Kompressionssystem sowie der Veulleumier- und der Rankine-Prozess. Diese Verfahren finden in der Praxis jedoch keine Anwendung, da andere Verfahren deutlich effizienter sind.
Systemauswahl
Um für ein Projekt ein geeignetes, solarbasiertes Kühlsystem auszuwählen, müssen in erster Linie die Standortbedingungen, so insbesondere die Verteilung der Temperatur und der relativen Feuchte sowie die Zusammen- setzung der anstehenden Lasten bekannt sein. Zu hohe Außenlufttemperaturen des Standortes führen beispielsweise bei Sorptionskältemaschinen dazu, dass diese Anlagen nur rückgekühlt werden können, indem Wasser in einem Rückkühlwerk verdunstet. DEC-Anlagen wiederum verbrauchen dauerhaft Wasser. Diese Umstände beschränken den Einsatz beider Systeme auf Regionen, in denen Wasser keine kostbare Ressource darstellt. Theoretische Neuentwicklungen, wie etwa das an der TU Darmstadt am Lehrstuhl für Entwerfen + Gebäudetechnologie entwickelte »closed desorptive cooling System«, das auch in trocken-heißen Gebieten unter Nutzung von solarer Energie und ohne Wasserverbrauch zum Einsatz kommen kann, sind bisher jedoch noch nicht marktreif [4].
Die abzuführenden Lasten eines Gebäudes setzen sich aus thermischen Lasten und Feuchtelasten zusammen. Eine Kontrolle der sogenannten sensiblen Lasten (Raumlufttemperatur) ist selbstverständlich über Kühl- beziehungsweise Heizflächen oder eine Luftkonditionierung möglich. Die Abfuhr sogenannter latenter Lasten (Feuchtelasten) bedingt eine Behandlung der Raumluft. Sofern ein Gebäudeinnenraum lediglich gekühlt werden soll, können in Abhängigkeit zur Höhe der Lasten alle marktverfügbaren Systeme zum Einsatz kommen.
Soll die Raumluft zusätzlich entfeuchtet werden, sind je nach Systemwahl zusätzliche Installationen notwendig: Sofern eine Sorptionskältemaschine verwendet wird, bedeutet dies, dass zusätzlich eine Klimaanlage oder ein Umluftkühlsystem installiert werden muss, das die Zu- beziehungsweise Umluft auch entfeuchtet. Doch eine Klimaanlage setzt Lüftungskanäle voraus, ein Umluftkühlsystem mit Entfeuchtung erfordert dezentrale Anschlüsse an das Abwassernetz des Gebäudes. DEC-Anlagen stellen hierzu eine Alternative dar: Sie können über die Zuluft kühlen und Feuchte über die Abluft abführen. Ein Luftverteilnetz ist selbstverständlich notwendig.
Ad- und Absorptionskältesysteme
Im Unterschied zu Kompressionskältegeräten findet bei Sorptionskälteanlagen keine elektrisch betriebene, mechanische Verdichtung statt, sondern die Systeme arbeiten mit einer Verdichtung des Kältemittels über Sorption, das heißt der Aufnahme eines Kältemittels in einem festen Stoff (Adsorbent) oder in einem flüssigen Lösungsmittel (Absorbent). Um innerhalb der Sorptionskälteanlage einen Prozesskreislauf aufrecht erhalten zu können, müssen sorbierte Kältemittel wieder ausgetrieben (desorbiert) werden, wozu thermische Solarenergie genutzt werden kann. Elektrische Energie ist hier in erster Linie nur für Ventilatoren und Pumpen notwendig. So erzeugen diese Systeme – je nach Produktionsart der elektrischen Energie – nur geringfügig CO2-Emissionen und sind deutlich energieeffizienter als konventionelle Kompressionssysteme. Allerdings muss bei Sorptionskälteanlagen zum derzeitigen Stand der Entwicklung mit höheren Investitionskosten und geringeren Leistungszahlen gerechnet werden. Des Weiteren sind Adsorptionskälteanlagen gegenüber Absorptionskältesystemen etwas weniger effizient, jedoch schon mit niedrigen Leistungen von etwa 5 kW erhältlich.
Marktdominierend sind derzeit sogenannte einstufige Absorptionskältemaschinen, die im Unterschied zu zweistufigen Systemen zwar eine geringere Leistungszahl aufweisen, aber auch mit einer geringeren Antriebstemperatur betrieben werden. Zweistufige Systeme sind deutlich komplexer, da diese mit zwei nacheinander ablaufenden Sorptionsprozessen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten. Für zweistufige Systeme werden aufgrund der hohen Betriebstemperaturen Mitteltemperaturkollektoren wie etwa Parabolrinnenkollektoren oder industrielle Abwärme auf hohem Niveau benötigt.
Die Kälteleistung ist vom eingesetzten Anlagentyp abhängig: Sofern die für den Antrieb der Systeme erforderliche thermische Energie über Solarkollektoren bereitgestellt werden soll, kann bei Absorptionskältemaschinen in Deutschland in Abhängigkeit zu den mesoklimatischen Standortfaktoren von einer durchschnittlichen Kollektorfläche von etwa 2,5m²/kW und bei Adsorptionskältemaschinen von etwa 3,4 m²/kW ausgegangen werden [5].
Neben der Kälteleistung ist insbesondere die zu erzielende Kaltwassertemperatur von entscheidendem Einfluss auf die Auswahl des Systems: ›
› Wenn das erzeugte Kaltwasser lediglich zur Abfuhr von Wärmelasten genutzt werden soll, sind Wassertemperaturen von rund 15–20 °C ausreichend. Sollen auch latente Lasten abgeführt werden, kann man von einer notwendigen Kaltwassertemperatur von etwa 6–9 °C ausgehen. Die niedrigen Temperaturen sind notwendig, da eine Entfeuchtung der Luft über eine Taupunktunterschreitung und anschließende Kondensation des in der Luft vorhandenen Wasserdampfes erfolgt.
Sorptionsgestützte Klimatisierung (DEC)
DEC-Anlagen arbeiten auf Basis einer adiabaten Verdunstungskühlung [6] in Kombination mit einer Luftentfeuchtung. Auch hier muss elektrische Energie lediglich für Ventilatoren und Pumpen bereitgestellt werden. Die Entfeuchtung des in der Zuluft enthaltenen Wasserdampfes kann in Form einer Ab- oder einer Adsorption erfolgen und ermöglicht eine deutlich höhere Absenkung der Zulufttemperatur, ohne dass mit Kondensatanfall oder einer überhöhten relativen Feuchte der Zuluft gerechnet werden muss. Da die Sorbentien nur eine begrenzte Aufnahmekapazität haben, müssen sie regelmäßig wieder desorbiert (entfeuchtet) werden. Dies erfolgt auch hier über Wärmeenergie beispielsweise von einer thermischen Solaranlage. Im Winter kann ein DEC-System ebenfalls für die Zuluftkonditionierung genutzt werden. Die Integration und Nutzung einer DEC-Anlage ist vergleichbar einer konventionellen Klimaanlage mit Kompressionstechnik.
Mit einer DEC-Anlage lassen sich in Abhängigkeit zu den mesoklimatischen Standortfaktoren minimale Zulufttemperaturen von etwa 16 °C erzeugen. Das notwendige Temperaturniveau der Antriebstemperatur liegt bei nur etwa 45–90 °C, was die Nutzung thermischer Solarenergie begünstigt. Derzeit existieren allerdings noch keine Anlagen, die bei Einfamilienhäusern eingesetzt werden können.
Verwendet man flüssige Sorbentien (Absorption), lassen sich diese zwischenspeichern und so Zeitspannen mit geringen solaren Energieerträgen wesentlich einfacher überbrücken, ohne dass Energie in anderer Form in das System eingebracht werden muss. Eine Desorption der feuchtebeladenen Lösung kann erfolgen, wenn wieder ausreichend solare Energie zur Verfügung steht.
Bei solar autarken Anlagen – also bei Anlagen, bei denen die benötigte Energie ausschließlich über Solarenergie bereitgestellt werden soll und die kein Backup-System zur Nachbeheizung aufweisen – muss im Unterschied zu konventionellen Technologien damit gerechnet werden, dass im Gebäude-inneren die Temperaturen zu gewissen Zeiten oberhalb üblicher Behaglichkeitsgrenzen liegen können. Eine Aussage über Zeitraum und Dauer kann nur annäherungsweise über Simulationen erfolgen. Sofern mit einem solarautarken System aber in erster Linie Innenräume gekühlt werden sollen, deren sommerliche Kühllast insbesondere aus externen (solaren) Wärmegewinnen resultiert, ist ein Kühlsystem ohne Backup meist ausreichend.
Wird das System in feucht-heißen Regionen verwendet, kann eine zusätzliche Kühleinheit etwa in Form eines Kompressionskältegeräts in das System eingebunden werden. In trocken-heißen Gebieten hingegen ist die Verwendung von DEC-Anlagen aufgrund des permanenten Wasserverbrauchs nicht empfehlenswert.
Die Leistung eines DEC-Systems hängt im Wesentlichen von den Zuständen der Raum- und Außenluft ab. Bei einem angenommenen Zuluftvolumenstrom von 1000 m3/h reicht meist eine Kühlleistung von 5–6 kW [7]. Für diese Leistungen muss von einer durchschnittlichen, spezifischen Kollektorfläche von etwa 8,2 m² pro 1000 m³/h ausgegangen werden [5].
NAchhaltigkeit + Wirtschaftlichkeit
Primärenergetisch sind solare Klimatisierungssysteme nur dann von Vorteil, wenn je nach Systemausbildung ein Mindestprozentsatz der benötigten Antriebsenergie in Form von Solarenergie oder Abwärme bereitgestellt werden kann. Dies ist bei zweistufigen Systemen dann gegeben, wenn ein minimaler Deckungsanteil von etwa 10 % vorliegt, im Fall einstufiger Sorptionskältesysteme oder DEC-Anlagen sogar erst bei einem Deckungsanteil von etwa 55 % [7]. Sofern die zur Kälteerzeugung benötigte Energiemenge zeitweilig nicht vorhanden ist, stellt sich – insbesondere bei Anlagen mit niedrigem COP – ein nachgeschaltetes Kompressionskältesystem (Backup) wesentlich effizienter und nachhaltiger dar als das Verbrennen fossiler Energieträger.
Ein Vergleich von solaren und konventionellen Kühl- beziehungsweise Klimatisierungssystemen muss einerseits die Energieeinsparungen aber auch die kompletten Investitionskosten aller Komponenten berücksichtigen. In der Regel können die Verbrauchskosten gegenüber einer konventionellen Technik meist erheblich reduziert werden. In Abhängigkeit des gewählten Systems ist jedoch mit teils deutlich höheren Investitions- und Planungskosten zu rechnen.
Bei Absorptionskältemaschinen zeigte sich, dass in Abhängigkeit von den Leistungsbereichen der Geräte mit Gesamtkosten von etwa 2500–6000 Euro/kW ausgegangen werden muss, bei Adsorptionskältemaschinen je nach Größenordnung von rund 1900–5000 Euro/kW [3]. Über Fördergelder lassen sich die Gesamtkosten jedoch deutlich reduzieren.
Bei DEC-Systemen liegen derzeit die Gesamtkosten bei etwa 2000–3500 EUR / kW [2]. Für eine beispielsweise in einer Fabrik in Althengstett installierte DEC-Anlage konnten gegenüber einer konventionellen Technologie Mehrkosten von nur circa 6 % ermittelt werden [3]. Diese werden sich aller Voraussicht nach aber schnell im Laufe des Betriebs durch die Stromkosteneinsparung amortisieren.
Eine vergleichende Studie eines Bürogebäudes in Österreich zeigte, dass die Produktionskosten für Kälte stark von den vorhandenen Strompreisen beeinflusst werden: Im Falle hoher Energiekosten könnte Kälte mit einer DEC-Anlage gegenüber einem Kompressionssystem zu geringfügig günstigeren Kosten erstellt werden; bei niedrigen Strompreisen würden die Kosten allerdings darüber liegen [8].
Ob die Verwendung einer solaren Klimatisierung letztlich sinnvoll ist, hängt aber insbesondere auch davon ab, ob die benötigte thermische Energie zu einem ausreichend hohen Deckungsgrad über Solarenergie oder Abwärme bereitgestellt werden kann. Und auch wenn die abzuführenden Kühllasten vorrangig die Entscheidung für ein DEC- oder ein Sorptionssystem beeinflussen: Bei Nach- beziehungsweise Umrüstungen im Bestand können sich durch die Nutzung vorhandener technischer Einbauten wie Lüftungskanalsysteme oder dezentrale Abwasseranschlüsse Kostenverschiebungen zugunsten des ein oder anderen Systems ergeben. •
Literaturhinweise und Anmerkungen: [1] Nick-Leptin J., Political framework for research and development in the field of renewable energies. Proceedings of the 1th International Conference Solar Air Conditioning, Bad Staffelstein, 2005 [2] Jakob U., Solare Kühlung – Erste Beispiele aus der Praxis, 3. Solartagung Rheinland-Pfalz, Umwelt Campus Birkenfeld, 2007 [3] Jakob U., Eicher U., Solare Kühlung in Gebäuden, 9. Energietag Rheinland Pfalz, Bingen; FH Bingen, 2006 [4] Lenz B., Die Erstellung eines neuartigen solarbasierten Kühlsystems in Verbindung mit einer natürlichen Ventilation zur Verbesserung des thermischen Komforts in Gebäudeinnenräumen der trocken-heißen Regionen (Arbeitstitel), Promotionsarbeit, laufend, FB 15; FG Entwerfen + Gebäudetechnologie, TU Darmstadt [5] Henning H.-M., Solar-Assisted Air-Conditioning in Buildings, A handbook for planners, Berlin: Springer, 2007 [6] Adiabatische Vorgänge: Thermodynamische Prozesse, bei denen Systeme von einem Zustand in einen anderen überführt werden können, ohne dass dabei thermische Energie mit der Umgebung ausgetauscht wird. [7] Henning H.-M., Solare Klimatisierung – eine Übersicht, Erneuerbare Energie Nr. 2, Zeitschrift für eine nachhaltige Energiezukunft; 2002 [8] Simader G. R., Rakos C., Klimatisierung, Kühlung und Klimaschutz, Technologien, Wirtschaftlichkeit und CO2-Reduktionspotenziale, Austrian Energy Agency, 2005 Zum Thema Solare Kühlung siehe auch: Solarenergienutzung Teil 2, Solare Potenziale, Energie, db 9/2007, S. 70 ff