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Primärenergetische Optimierung von Anlagen zur solaren Kühlung mit effizienter Anlagentechnik und innovativen Regelstrategien

Land Oberösterreich

Ziel des Projektes war es, den Primärenergieverbrauch von solarthermischen Kühlanlagen zu reduzieren. Dazu wurden verbesserte Simulationsmodelle entwickelt, um mit Hilfe von detaillierten Systemsimulationen für typische Anwendungsfälle im Gebäude- und im Industriebereich sowohl Anlagenkonzepte, den Stromverbrauch von Komponenten als auch die Regelungskonzepte zu optimieren.

Die optimierten Konzepte wurden an bestehenden Beispielanlagen umgesetzt und die Wirksamkeit der gesetzten Maßnahmen durch Monitoring verifiziert.

Für zwei der optimierten Konzepte wurden Lebenszyklusanalysen durchgeführt.

Ein Funktionsmuster für einen kostengünstigen offenen Nasskühlturm wurde entwickelt und getestet.

Das gegenständliche Forschungsprojekt „Primärenergetische Optimierung von Anlagen zur solaren Kühlung mit effizienter Anlagentechnik und innovativen Regelstrategien“ (SolarCoolingOpt) hatte sich die primärenergetische Optimierung solarthermischer Kälteanlagen zum Ziel gesetzt.

Dazu wurden in einem ersten Schritt verbesserte Simulationsmodelle für einen drehzahlgeregelten Sorptionsrotor und eine Absorptionskältemaschine mit dynamischem Verhalten für die Simulationsumgebung TRNSYS entwickelt. Ein Schwerpunkt des Projektes war, durch Simulation mit verbesserten Modellen verschiedene Anlagentypen und –konfigurationen mit ihren dazugehörigen Regelstrategien zu untersuchen und durch konkrete Maßnahmen zur Optimierung von solarthermischen Kühlanlagen beizutragen. Es wurden für die drei nachfolgenden Anwendungen

a)    Desiccant-Evaporative-Cooling-(DEC)-Anlagen
b)    Absorptionskältemaschine im kleinen Leistungsbereich (19 kW)
c)    Absorptionskältemaschine im MW-Bereich als Grundlastabdeckung

jeweils eine „Standardkonfiguration“ und mehrere optimierte Varianten simuliert, und auf ihre primärenergetische Effizienz hin untersucht, sowie mit einer Referenzanlage konventioneller Kälteerzeugung (Kompressionskälteanlage) verglichen. Für DEC-Anlagen wurde die Bedeutung des Sorptionsrotors zur Feuchterückgewinnung im Heizbetrieb unterstrichen. Für die Absorptionskälteanlage 19 kW führte die dynamische Leistungsregelung sowie Verzicht auf Kaltwasserspeicher und thermisches BackUp zu sehr guten Effizienzwerten. Große Anlagen (>1000 kW), die der Grundlastdeckung dienen, können, bei idealer Auslegung und mit relativ einfachen Regelungskonzepten, Einsparungen nicht erneuerbarer Primärenergie von >50% gegenüber der Referenzanlage erreichen. Solarunterstützte Anlagen dieser Größenordnung und Konfiguration können zumindest einen elektrischen "Seasonal Performance Factor“ SPFel von > 12 erreichen.

Für ausgewählte Anlagen wurden die entwickelten Optimierungen umgesetzt und erfolgreich getestet.

Lebenszyklusanalysen für zwei der durch Simulation untersuchten Nutzungen ergaben, dass bei Betrachtung des gesamten Lebenszyklus solarthermische Kühlsysteme (bei optimierter Betriebsweise) die höheren Aufwendungen für Errichtung und Entsorgung kompensieren können und gegenüber konventionellen Systemen in den hier untersuchten Fallbeispielen ein Reduktionspotential von Treibhausgasemissionen und nicht erneuerbaren Primärenergiebedarf im Kühlbetrieb zwischen 35% bis 50% aufweisen.

Untersuchungen von zwei Fallstudien mit Absorptionskältemaschinen im Industrie- und Gewerbebereich einschließlich Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ergaben je nach Standort und sonstigen Randbedingungen minimale Amortisationszeiten von 8 Jahren. Die Nutzung vorhandener (nicht anderweitig benötigter) Abwärmeströme als Kälteprozessantrieb stellt eine interessante Option dar.

Praxistests mit einem im Projekt entwickelten Funktionsmuster einer effizienten und kostengünstigen Rückkühleinheit (26 kW Rückkühlleistung) zeigten Wege für eine deutliche Senkung von Investitions- und Betriebskosten auf.


Projektleitung

Elena Guillen, Ph.D.

Auftraggeber

Klima- und Energiefonds

Projektpartner

AIT
TU Graz - Institut für Wärmetechnik
ASiC - Austria Solar Innovation  Center

Podesser Consulting
Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbH
TU Wien ICT
Pink GmbH
SOLID GmbH
Enertec Naftz & Partner OG
Feistritzwerke – STEWEAG GmbH
Greiner Renewable Energy GmbH
WILO Pumpen Osterreich GmbH
Universität Innsbruck, Institut für Konstruktion u. Materialwissenschaften

Publikationen

Broschüre: Solares Kühlen - Technologien, Planung, Betrieb

Status

abgeschlossen