Drei Erdreichsonden mit je 80 Metern Tiefe erschließen den Untergrund als Wärmereservoir für die Adsorptionsmaschine, die im Sommer als solarthermisch angetriebene Kältemaschine die Küche der Institutskantine kühlt und im Winter in ihrer Funktion als Wärmepumpe zur Heizung wird. Installiert wurde die Anlage im vergangenen Sommer und sie läuft zur großen Zufriedenheit der Freiburger Sonnenenergieforscher.
Der solare Bestandteil ist ein 20 m² großes Flachkollektorfeld auf dem Dach des Institutsgebäudes. Die Erdsonden dienen im Sommer, wenn die Anlage Kälte erzeugt, als Senke für Abwärmeströme. Im Winter sind die Sonden Niedertemperatur-Wärmequelle für Heizzwecke, wenn die Anlage im Wärmepumpenbetrieb läuft. Diese Betriebsweise hat zusätzlich den Vorteil, dass das Erdreich in der Nähe der Erdsonden im Winterbetrieb nicht auskühlt oder gar vereist. In der Praxis tritt das Problem der Vereisung bei zu klein dimensionierten Erdsondenanlagen auf, wenn diese ausschließlich als Wärmequelle genutzt werden.
Wasser als Kältemittel
In der Adsorptionskältemaschine verdampft Wasser als Kältemittel bei sehr niedrigen Drücken von etwa 10 mbar. Mit der so erzeugten Kälte wird die Zuluft der Kantinenküche gekühlt. Reicht die Solarstrahlung einmal nicht aus, stellt das Heiznetz zusätzliche Antriebswärme bereit, um den Kühlbetrieb aufrechtzuerhalten. Im winterlichen Betrieb wird die Wärme aus den Erdreichsonden mithilfe der Adsorptionskältemaschine die nun als Wärmepumpe fungiert auf das für Heizzwecke erforderliche Temperaturniveau angehoben. Dass die Anlage ein hohes Potenzial an nachhaltig bereitgestellter Kühlenergie hat, beweisen unsere ersten Messauswertungen, so Dr. Tomas Núñez, Projektleiter am Fraunhofer ISE. Rund 60% der benötigten Antriebsenergie wurde durch die Solaranlage bereitgestellt. Weiterhin trage positiv zur Energiebilanz bei, dass der elektrische Verbrauch für Pumpen und die Kältemaschine nur etwa ein Zehntel der erbrachten Kälteenergie beträgt.
Walter Mittelbach, Technischer Vorstand der Sortech AG freut sich über die erfolgreiche Produktentwicklung: Durch die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE war es uns möglich, unsere Prototypanlage unter realen Bedingungen zu testen und fachgerecht vermessen zu lassen. Die Ergebnisse aus der Projektarbeit mit den Freiburger Forschern flossen in die Entwicklung unserer ersten marktreifen Produktgeneration ACS 08 mit ein. Diese wird seit Anfang 2008 vertrieben und hat im Vergleich zum Vorgänger ACS 05 eine um ein Drittel gesteigerte Kälteleistung bei einem um 25% reduzierten Bauvolumen.
Ein weiterer Vorteil, den Sortech bei seiner neuen Kältemaschine hervorhebt, sei eine vereinfachte Integrierbarkeit in Solarsysteme. Der Grund hierfür sei ein optimiert ausgelegter Rückkühler (RCS 08), der eine integrierte Regelung ermögliche. Aufgrund der niedrigen Antriebstemperaturen ab 60°C eignet sich die Anlage sehr gut für solare Kühlung und Kühlung mit Fernwärme, so Mittelbach.
Funktionsweise der Anlagen
Adsorptionskältemaschinen arbeiten mit den festen Materialien Silikagel oder Zeolith, die Wasserdampf adsorbieren. Bei Wärmezufuhr auf erhöhtem Temperaturniveau dem Desorptionsprozess geben sie den Wasserdampf wieder ab.
Bei der Adsorption hingegen muss Wärme abgeführt werden, die bei dem Beispielprojekt in Freiburg über die Erdsonden entsorgt wird. Hier könnten auch andere Möglichkeiten wie die Wärmeabfuhr über einen einfachen Kühler im Trockenbetrieb in Betracht kommen. Bei extremen Temperaturverhältnissen könne dieser auch kurzzeitig mit Wasser besprüht werden, wie Núñez berichtet. Wichtig sei, dass dem Prozess zur Wärmeabfuhr Wasser mit maximal 25 bis 37 °C zur Verfügung gestellt wird.
Der Adsorber selbst ist ein mit Silikagel beklebter Wärmeübertrager. Beim Start des Adsorptionsprozesses sinkt der Druck ab, bis im Verdampfer die erforderlichen rund 10 mbar herrschen, bei denen das Wasser im Sättigungszustand mit etwa 7°C siedet.
Um die niedrigen Drücke zu erreichen, sei ein hohes Maß an Vakuumdichtheit erforderlich sowie auch eine möglichst vollständige Entgasung des Wassers. Hier treibe der Hersteller im Werk großen Aufwand bei Qualitätskontrollen.
Während der Desorption wird dem Absorber die Antriebswärme zugeführt. Der ausgetriebene Wasserdampf wird im Kondensator verflüssigt und in den Verdampfer zurückgeführt, womit der Kreislauf geschlossen ist. Die Kondensationswärme wird ebenfalls über die Sonde dem Erdreich zugeführt. Für einen kontinuierlichen Kühlbetrieb sind die Kältemaschinen mit zwei Adsorbern ausgestattet, die antizyklisch betrieben werden. Die Steuerung der Dampfströme erfolgt über selbsttätige Klappen.
Im Jahr 2007 wurden etwa 15 Anlagen ausgeliefert und getestet. Für 2008 ist der Absatz einer hohen, zweistelligen Zahl von Anlagen geplant. Für die Vertriebspartner bietet der Hersteller Schulungen und Unterstützung bei der Inbetriebnahme an.-
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