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Solarthermie-Anlagen zur Kühlung und Klimatisierung

Wie wird aus Solarthermie-Anlagen Kälte erzeugt? Welche Sorptionsverfahren gibt es? Wie werden Solarthermie-Anlage in der Praxis zur Kühlung und Klimatisierung eingesetzt?

Bei einer solaren Klimatisierung bzw. Kühlung wird ein Gebäude oder eine Anwendung paradoxerweise mit Solarwärme gekühlt bzw. klimatisiert. Die Solarwärme dient dabei als Energiequelle einer Kältemaschine. Zur Anwendung kommen heute offene und geschlossene Sorptionsverfahren. In vielen Fällen kommt eine Absorptionskältemaschine zum Einsatz. Mittlerweile gibt es zahlreiche Praxisbeispiele, in denen eine Solarthermie-Anlage zur Kühlung und Klimatisierung eingesetzt wird. Sogar in südlichen Ländern wird mittlerweile in Pilotprojekten dieses Verfahren eingesetzt.

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Solarthermie zur Wasser- und Luftkühlung

Solarthermie kann nicht nur zur Wärmeerzeugung genutzt werden, sondern auch in Kälte zur Kühlung und Klimatisierung von Gebäuden umgewandelt werden. Dazu wird Solarthermie direkt zur Kühlung von Wasser eingesetzt oder es wird durch den Einsatz von Solarthermie der Luft Feuchtigkeit entzogen und so die Raumtemperatur gesenkt.

Durch diese Verfahren stellt der Einsatz von Solarthermie-Anlagen zur Kühlung und Klimatisierung von Gebäuden eine vielversprechende Möglichkeit dar, um den immensen Strombedarf für konventionelle Klimatisierungsverfahren und CO2-Emissionen in der Gebäudetechnik zu reduzieren.

Offene und geschlossene Sorptionsverfahren

Die Verfahren zur Kühlung und Klimatisierung durch Solarthermie-Anlagen können in offene und geschlossene Verfahren unterschieden werden. Beide Verfahren beruhen dabei auf dem physikalischen Prinzip der Sorption.

  • Bei der offenen Sorption wird die Luft durch Kontakt mit wasserziehenden Substanzen wie z.B. Silicagel oder Zeolith A getrocknet. Anschließend wird Wasser versprüht, das beim Verdunsten die Luft kühlt.
  • In geschlossenen Sorptionsverfahren wird die Luft über Kaltwasserverteilsysteme mit einer Absorptionskältemaschine oder Adsorptionskältemaschine gekühlt.

Eine Absorptionskältemaschine ist eine Kältemaschine, bei der im Gegensatz zur Kompressionskältemaschine die Verdichtung durch einen thermischen Verdichter erfolgt. Eine Adsorptionskältemaschine ist hingegen eine Sorptions-Kältemaschine, die mit einem festen Sorptionsmittel arbeitet.

Die YHAU Absorptionskältemaschinen bestehen aus einer zweistufigen Verdampfer-/Absorber-Technologie, können unterschiedlichen Wärmequellen wie Warmwasser, Dampf, Gas, Leichtöl oder Abgas nutzen und verwenden Wasser als Kältemittel. (Foto: Johnson Controls)
Die YHAU Absorptionskältemaschinen bestehen aus einer zweistufigen Verdampfer-/Absorber-Technologie, können unterschiedlichen Wärmequellen wie Warmwasser, Dampf, Gas, Leichtöl oder Abgas nutzen und verwenden Wasser als Kältemittel. (Foto: Johnson Controls)

Eine weitere Möglichkeit neben der Absorption und der Adsorption ist das Desiccant Evaporative Cooling (DEC). Dabei handelt es sich um ein offenes System, basierend auf einer Kombination aus Verdunstungskühlung und Luftfeuchtigkeitsentzug. 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 ka

Aufbau solarthermischer Kühlung und Klimatisierung

Welche Art von Solarthermie-Kühlung eingesetzt werden kann, hängt von vielen Randbedingungen ab. Grundsätzlich ist der Aufbau jedoch ähnlich:

  1. Zunächst wird die in der Solarthermie-Anlage erzeugte Wärme in Solarthermie-Speichern zwischengespeichert. Das Volumen dieser Speicher richtet sich dabei nach dem zu kühlenden Raumvolumen und dem gewünschtem solaren Deckungsbeitrag.
  2. Die so vorgehaltene Wärme wird dann zur Kältemaschine geführt,
  3. die dann das gekühlte Wasser vielfach über Kühldecken oder die über das Wasser gekühlte Luft über einen Ventilator in die zu kühlenden Räume transportiert.

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.

Bislang sind allerdings nur zentrale solarthermisch angetriebene Kühlanlagen für Gebäude oder Gebäudebereiche technisch möglich, nicht dagegen Solarthermie-Anlagen zur dezentralen Kühlung einzelner Räume.

Tabelle 1: Arbeits-Stoffpaare für Sorptions-Kälteanlagen (Quelle: Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal Ges.m.b.H., 2007)
Eigenschaften Absorption (Wasser-Lithiumbromid) Absorption (AmmoniakWasser) Adsorption DEC-Anlagen
Verfahrensprinzip Kaltwassererzeugung Kaltwassererzeugung Kaltwassererzeugung Luftentfeuchtung u. Verdunstungskühlung
Kältemittel Wasser Ammoniak Wasser -
Sorptionsmittel Lithiumbromid Wasser Silikagel Silikagel
Kälteträger Wasser Wasser-Glykol Wasser Luft
Bereich Kältetemperatur 6 bis 20 °C -60 bis +20 °C 6 bis 20 °C 15 bis 20 °C
Antriebstemperatur 75 bis 160 °C 80 bis 120 °C 60 bis 90 °C 45 bis 95 °C
Kälteleistung je Einheit ab 15 kW ab 80 kW ab 50 kW 6 bis 300 kW
COP 0,6-1,2 0,3-0,7 0,4-0,7 0,5-1
Solarantrieb Vakuumröhren-Kollektoren, Flachkollektoren Vakuumröhren-Kollektoren Vakuumröhren-Kollektoren, Flachkollektoren Flachkollektoren, Luftkollektoren

Kühlung durch Solarthermie-Anlagen in der Praxis

Mittlerweile gibt es zahlreiche Praxisbeispiele, in denen eine Solarthermie-Anlage zur Kühlung und Klimatisierung eingesetzt wird. In vielen Fällen kommt eine Absorptionskältemaschine zum Einsatz, die ihre Antriebswärme aus der Solarthermie-Anlage bezieht.

Sogar in südlichen Ländern wird mittlerweile in Pilotprojekten dieses Verfahren eingesetzt. So nutzen Fraunhofer-Forscher Solarthermie-Anlagen, um in Tunesien und Marokko leicht verderbliche Lebensmittel wie Milch, Wein oder Früchte frisch zu halten.

Aufgrund der hohen Außentemperaturen sind zum Betrieb der Absorptionskältemaschine allerdings Temperaturen um 200 Grad erforderlich. Diese extremen Wassertemperaturen werden mit konzentrierenden Solarthermie-Kollektoren erzeugt, die das Sonnenlicht mit einem Spiegel auf einen Absorber richten.

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"Solarthermie-Anlagen zur Kühlung und Klimatisierung" wurde am 17.04.2018 das letzte Mal aktualisiert.