Solare Kleinst-Kälteaggregate für Wohngebäude und Kleingewerbe: Neue Technologien tragen zur Primärenergieeinsparung bei und reduzieren die Schadstoffemissionen

Der Hauptvorteil der Solaren Kühlung liegt in der Deckungsgleichheit von Solarangebot und Raumklimatisierungsbedarf, d.h. das sommerliche Strahlungsangebot wird genau zu dem Zeitpunkt genutzt, wenn es reichlich vorhanden ist. Gleichzeitig werden komfortable Raumbedingungen geschaffen, ohne das Stromnetz mit extremen Lastspitzen zu belasten.

Vor dem Hintergrund der sparsamen Nutzung an Energieressourcen und der Reduzierung der Schadstoffemissionen erhält die Gebäudeklimatisierung auf der Basis von thermisch angetriebenen Kältemaschinen besondere Bedeutung. Die Sorptionskältemaschinen verwenden natürliche Kältemittel und haben nur einen sehr geringen Stromverbrauch. Zudem sind die Betriebskosten dieser Maschinen sehr niedrig und die CO₂-Schadstoffbilanz gegenüber den Splitgeräten deutlich effektiver.

In den letzten Jahren wurden umfangreiche Innovationen im Bereich der Sorptionskältemaschinen im kleineren Leistungsbereich getätigt und über das Prototypenstadium und Feldtests in die Serienproduktion und auf den Markt gebracht. Insofern bietet eine Reihe von Produktherstellern solare Kleinst-Kältemaschinen mit Sorptionstechnologie auch im Leistungsbereich unter 15 kW an, deren Antriebswärme über Solarthermiekollektoren bezogen wird und die zur Raumklimatisierung im Wohnbereich, für Restaurationen, Hotels, Büros, etc. geeignet sind.

Drei Komponenten

Die solaren Kälteanlagen bestehen prinzipiell aus den drei Komponenten:

• Solarthermiekollektoren,
• Absorptions- oder Adsorptionskälte­aggregate,
• Kaltwasserverteilsystem.

Absorptionskälteaggregate

Derzeit werden überwiegend Absorptionskälteaggregate mit flüssigen Sorbien, z.B. Wasser/Lithiumbromid eingesetzt. Mit dieser Technologie kann auch im Teillastbereich bei Heißwassertemperaturen von z.B. 60°C eine Kaltwas-sertemperatur bis zu 6°C erzeugt werden.

Adsorptionskälteaggregate

Die Adsorptionskältemaschinen im kleineren Leistungssegment mit 7,5 und 15 kW können zur Klimatisierung in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie für kleinere Büro- und Gewerbebauten eingesetzt werden. Diese kompakten Maschinen arbeiten mit Wasser als Kältemittel und sind nahezu geräuschlos und wartungsarm.

Die Solare Kühlung mittels Adsorptionstechnologie bewirkt neben dem energetisch positiven Effekt einer Stromeinsparung bis zu 70% auch die Verdoppelung des Lebenszyklus (Life-Cycle-Cost-Berechnung) und verbessert zudem die CO₂-Bilanz bzw. reduziert die klimaschädigende Schadstoffbelastung um bis zu 30%.

Für den Antrieb von Adsorptionskältemaschinen kann Wärme ab 55°C genutzt werden. Die günstigste maximale Heizwassertemperatur bei Adsorbern beträgt jedoch ca. 85°C. Eine höhere Heizwassertemperatur erhöht zwar die Leistung, aber nicht die Wirtschaftlichkeit.

Kleinst-Solar-Absorptionskälteaggregate bis 15 kW

Das Besondere am Kleinst-Solar-Kälteaggregat von ClimateWell AB, Häugersten, Stockholm, liegt im internen Speicher begründet. Während die LiBr-Absorptionskältemaschinen auf einem Kreisprozess basieren, arbeitet das LiCl-Aggregat diskontinuierlich. Im Betrieb wird eine Kammer beladen, während parallel eine zweite Kammer entladen wird. Das Absorptionsmittel Lithiumchlorid  kristallisiert beim Beladen durch Austreiben des Kältemittels Wasser und dient so als thermischer Speicher.

Während zur Vermeidung von Kristallisation in konventionellen Absorptionskältemaschinen ein hoher technischer Aufwand erforderlich ist, nutzt ClimateWell genau dieses Prinzip der Kristallisation hochkonzentrierter Lithiumchlorid-Lösung zur Erhöhung der internen Speicherdichte.

Die Speicherkapazität beträgt 60 kWh für Kälte und 76 kWh für Wärme. Um das Kältemittel Wasser komplett aus der Salzlösung auszutreiben und zwei Behälter mit Salzlösung auszukristallisieren, werden insgesamt 88 kWh Heizwärme benötigt. Der Nutzer kann die Kälteleis-tung der Maschine auch verdoppeln, indem er beide Kammern parallel entlädt.

Für Einfamilienhäuser kann die „CW 10“ mit einer Kälteleistung von 10 kW mit der solaren Antriebswärme z.B. über Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt werden. Die Absorptionsmaschine (LiCl) Lithiumchloridsalz erreicht einen COP 1,5 bis 1,7.

Das neueste ClimateWell-Modell enthält keine mechanischen Pumpen und macht daher auch keine Betriebsgeräusche.

Die EAW Energieanlagenbau GmbH aus dem thüringischen Westenfeld hat 2009 ihr 15-kW- Absorptionskälteaggregat überarbeitet, das nun kompakter aufgebaut ist. Anstatt den Kreislauf aus Generator, Kondensator, Verdampfer und Absorber in zwei Behälter zu trennen, ist nun alles in einem Container integriert. Das Aggregat kommt zudem jetzt mit einer internen Pumpe aus, sodass EAW ihre elektrische Leistung reduzieren konnte. Gleichzeitig wurde die Kälteleistung auf 19 kW angehoben werden. Mit dem EAW-Absorber „SE 15“ wird bei einer Systemauslegung für Heizwassertempertur von 90/80°C, einer Kühlwassertemperatur von 30/35°C und einer Kaltwassertemperatur von 17/11°C ein COP-Wert von 0,71 erreicht.

Die EAW hat derzeit auch ein Kleinst-Solar-Kühlaggregat als Absorber mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumbromid und einer Kälteleistung von 5 kW entwickelt, das allerdings noch nicht auf dem Markt verfügbar ist.

Solarnext, Rimsting, vertreibt das Kleinst Solar-Kühlaggregate „Chillii PSC12“ mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Wasser und einer Kälteleistung von 12 kW von der Pink GmbH in Österreich, in die eine neu entwickelte Membranpumpe integriert wurde. Die Antriebs­temperaturen betragen 85/78°C bei Kühlwassertemperaturen von 24/29°C und Kaltwassertemperaturen von 12/6°C. Der COP-Wert variiert je nach Auslegungszustand bei Kaltwasser 12/6°C oder 18/15°C zwischen 0,62 bis 0,73.

Kleinst-Solar-Absorptionskälteaggregate von 15 bis 30 kW

Hier steht von Climatewell der Typ „CW 20“ mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumchlorid (H2O/LiCl). Der Typ „CW 20“ erreicht eine Kälteleistung von 20 kW.

EAW Energieanlagenbau produziert Absorptionskältemaschinen mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumbromid (H2O/LiBr) im Leistungsbereich von 15 bis 200 kW. Diese Aggregate erreichen bei Antriebstemperaturen von 86°C, bei Kühlwassertemperatur von 27°C und einer Kaltwassertemperatur von 9°C einen COP-Wert von 0,75.

Die Firma Solarice GmbH, Haltern am See, bietet ein Solar-Kälteaggregat als Typ „AAC 25“ mit einer Nennkälteleistung von 25 kW an, das in der Absorbertechnik mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Wasser (NH3/H2O) für Temperaturen unter 0°C hergestellt wird. Das Aggregat hat bei Antriebstemperaturen von 95/85°C Kühlwassertemperaturen von 24/31°C und bei Wasser-Glykoltemperaturen von 2/-3°C.  Der gleiche Absorber erreicht bei einem COP-Wert von 0,50 noch eine Kälteleistung von rund 10 kW.

Die Pink GmbH bietet seit 2010 zwei weitere solare Kühlaggregate mit Nennkälteleis­tung von 14 und 19 kW an, die ebenfalls mit dem Arbeitsstoffpaar NH3/H2O arbeiten. Das Aggregat mit 19 kW hat bei Antriebstemperaturen von 85/75°C, bei Kühlwassertemperaturen von 24/31°C und Kaltwassertemperaturen von 12/6°C einen COP-Wert von 0,63. Für den Fall, das Wasser-Glykoltemperaturen von 2/-3°C verwendet werden, erreicht der gleiche Absorber bei einem COP-Wert von 0,50 noch eine Kälteleistung von rund 10 kW.

Thermax (Indien) bietet das Solar-Kälteaggregat vom Typ „LT 0.5“ an, das mit dem Arbeitsstoffmittel Wasser/Lithiumbromid (H2O/LiBr) arbeitet und eine Kälteleistung von 17,5 kW sowie einen COP-Wert von 0,70 erreicht.

Zudem liefert Thermax Absorptionskältemaschinen im Leistungsbereich von 17,5 bis 282 kW für Antriebstemperaturen von 91/85°C und Kühlwassertemperatur von 29/36,5°C sowie Kaltwassertemperatur von 12,5/7°C.

Die Firma Yazaki (Japan) bietet Absorptionskältemaschinen an, die mit dem Arbeitsstoffmittel Wasser/Lithiumbromid (H2O/LiBr) arbeiten und Kälteleistungen von 17,5 bis 105 kW erreichen. Das kleinste Aggregat vom Typ „WFC-SC05“ erreicht bei einer Antriebstemperatur von 88/83°C, einer Kühlwassertemperatur von 31/35°C und einer Kaltwassertemperatur von 12,5/7°C eine Kälteleistung von 17,5kW sowie einen COP-Wert von 0,70.

Kleinst-Solar-Adsorptionskälteaggregate bis 25 kW

Der Produkthersteller Invensor, Berlin, hat Kleinst-Solar-Kälteaggregate mit Adsorptionstechnologie und Wasser/Zeolith-Arbeitsstoffpaar entwickelt. Das Adsorptionsaggregat „LTC 07“ erreicht bei einer Antriebstemperatur von 65°C eine Kälteleistung von 7 kW.

Zudem bietet Invensor auch das Kleinst-Solar-Kälteaggregat „HTC 10“ (High Temperature Chiller) für hohe Außentemperaturen von bis zu 40°C mit einer Kälteleistung von 10 kW an, das mit einem trockenen Rückkühler betrieben wird.

Invensor präsentierte auf der ISH 2011 ihre „HTC 11“. Im Vergleich zum Vorgängermodell der „HTC 10“ verfügt die „HTC 11“ über 10% mehr Kälteleistung (Leistungsbereich 4 bis 13 kW) bei nahezu gleicher Antriebswärme. Die „HTC 11“ erreicht bei einer Nominalkälteleistung von 11 kW einen COP von 0,53.

Wie alle auf Zeolithen basierenden Invensor-Solarkälteaggregate erlaubt auch die „HTC 11“ den Betrieb mit hygienisch geschlossenen Rückkühlern und verfügt über eine integrierte Free Cooling Funktion. Diese sorgt für eine erhebliche Stromeinsparung, da während des Kühlbetriebs bei niedrigen Außentemperaturen keine zusätzliche Wärme als Antriebsenergie benötigt wird. Die Kältebereitstellung erfolgt dann direkt über den leistungsstarken Rückkühler.

Zudem können die Kleinst-Solar-Kälteaggregate von Invensor auch als Wärmepumpe betrieben werden. Im Kühlbetrieb muss weiterhin Antriebsenergie auf der heißen Seite zur Verfügung stehen. Auf der Kälteseite kann wahlweise Solarthermie oder Erdwärme eingekoppelt werden. Der gewählte Niedertemperatur-Wärmeverbraucher wird am Rückkühlkreis angeschlossen. Bei dieser Systemlösung ergeben sich Wirkungsgrade bis zu ca. 150%, bezogen auf die eingesetzte thermische Energie.

Bei der Neuentwicklung des Invensor „LTC 10 plus“ handelt es sich um ein Zeolith-Adsorptionsaggregat für die thermische Kälteerzeugung im Kälteleistungsbereich von 4 bis 12 kW. Die „LTC 10 plus“ ist für Außentemperaturen bis ca. 35°C geeignet und erreicht bei der Nominalleistung von 10 kW einen COP von 0,60. Das Adsorptionsaggregat enthält eine integrierte Hydraulikeinheit, Dreiwegemischer, Umschaltventile sowie drei EC-Hocheffizienzpumpen der Energieeffizienzklasse A.

Die kompakten Solar-Kälteaggregate auf der Basis der Adsorptionstechnologie von Sortech AG, Halle an der Saale, sind für Kälteleistungen von 5 bis 23 kW konzipiert. Das kleinste thermische Kälteaggregat („ACS 08“) wird von Sortech mit einer Kälteleistung von 5 bis 11 kW (Nennkälteleistung 8 kW) hergestellt. Darüber bietet Sortech eine Wasser/Silikalgel Adsorptionskältemaschine vom Typ „ACS 15“ mit einer Kälteleistung von 10 bis 23 kW (Nennkälteleistung 15 kW) an sowie ein Zusatzmodul für freies Kühlen.

Der Hersteller vertreibt nicht nur die solaren Kleinst-Adsorptionsaggregate, sondern auch ein Subsystem mit Hybridrückkühler (RCS), um den elektrischen Strombedarf für die Ventilatoren zu begrenzen.

Beide Adsorptionsaggregate sind für Antriebstemperaturen von 55 bis 95°C konzipiert, wobei sich die Kaltwassertemperaturen zwischen 8 bis 20°C und die Rückkühlwassertemperatur zwischen 25 bis 40°C einpendeln. Der maximal thermisch erreichbare COP-Wert liegt für beide Adsorbermaschinen bei 0,65; der thermische COP-Wert bei Nennpunktbedingungen erreicht 0,60. Die Jahresarbeitszahl (JAZ), als Quotient aus jährlich generierter Kälteenergie und der hierzu eingesetzten Elektroenergie, liegt zwischen 10 bis 13.

Die Ventilatoren der trockenen Rückkühler („RCS 08“ und „RCS 15“) werden mittels neuester EC-Antriebstechnologie mit bis zu 50% reduziertem Stromverbrauch gegenüber den AC-Standard-Motoren betrieben. Um bei sehr hohen Außentemperaturen die Rückkühltemperatur temporär abzusenken, enthalten die Rückkühler ein Frischwassersprühsystem. Hierdurch wird eine deutliche Anhebung der Kälteleistung der Adsorptionsaggregate erreicht. Zudem lassen sich durch Kopplung mehrerer Module effizient Kälteleistungen bis zu 150 kW realisieren.

Die wichtigste Verbesserung erzielte Sortech durch die Stabilität des Vakuums in der Maschine, wodurch die Wartungsintervalle deutlich gesenkt wurden.

Zudem können die Kleinst Solar-Kälteaggregate von Sortech auch als Wärmepumpe betrieben werden. Der Wärmepumpenmodus erfolgt mittels Niedertemperaturquellen (Außenluft, Solarthermie oder Erdwärme).

Eine spezielle Hydraulikeinheit von Sortech mit Hocheffizienzpumpen, Sicherheitskomponenten und Steuerungseinheit ermöglicht eine einfache Integration der Adsorptionsaggregate (ACS) und des Rückkühlers (RCS) in das Kühlsystem.

Die an der Shanghai Jiao Tong University (SJTU) in China entwickelte Adsorp-
tionskältemaschine vom Typ „SWAC-10“ wird von der chinesischen Firma Jiangsu Shuangliang Air Conditioner Equipents hergestellt und seit 2008 in mehreren Projekten getestet.

Bei Antriebstemperaturen von 85/79°C wird eine Kühlwassertemperatur von 30/36°C und Kaltwassertemperatur mit 15/10°C erreicht.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß, freier Journalist, E-Mail: dipl.ing.e.theiss@t-online.de

Absorbertechnologie im Internet
www.climatewell.com
www.eaw-energieanlagenbau.de
www.solarnext.de
www.thermaxglobal.com
www.yazakienergy.com
www.invensor.de
www.sortech.de