Einsatz kleiner Eisspeicher

Solare Klimatisierung von Wohngebäuden

Die PV-Ertragsspitze liegt meist um die Mittagszeit, dem gegenüber steht im privaten Wohnbereich der Klimakältebedarf oft in den Nachmittags- und Abendstunden an, wenn die Bewohner sich zu Hause aufhalten. Die Einbindung eines Eisspeichers in ein Split-Klimagerät ermöglicht Kälte mit einer hohen volumetrischen Energiedichte, preiswert und verlustarm zu speichern und den PV-Eigenertrag zur Erzeugung der Klimakälte einzusetzen.

Motivation

Die Klimatisierung in Privatgebäuden erfolgt überwiegend mit Split-Klimageräten. Die Anzahl der weltweit verkauften Systeme steigt rapide an [1] mit negativen Folgen für die Umwelt, zum einen aufgrund des erhöhten Strombedarfs, verbunden mit CO2-Emissionen, zum anderen durch direkte Emissionen von Kältemitteln mit einem hohen GWP-Wert.

Infolge des funktionellen Zusammenhangs mit der Globalstrahlung zeigen sich die saisonalen Maxima des PV-Ertrags und des Klimakältebedarfs in einem ähnlichen Zeitraum. Setzt man für den Betrieb einer Klimaanlage die Anwesenheit von Personen voraus, besteht im Tagesverlauf dieser Zusammenhang auch in gewerblich genutzten Gebäuden (vgl. Bild 1) [2]. In Wohngebäuden sind die Bewohner zur Zeit der PV-Ertragsspitzen um die Mittagszeit hingegen oft außer Haus. Der Hauptbedarf für die Klimatisierung besteht oft in den Nachmittags- und Abendstunden, wenn die Bewohner heimkehren. Die direkte Nutzung des PV-Stroms zur Bereitstellung von Klimakälte ist somit nur in sehr kleinen Zeitfenstern möglich. Die Einspeisung von PV-Strom zur strahlungsintensiven Mittagszeit kann in lokalen Verteilnetzen zu problematischen Lastspitzen führen, so dass nach aktueller Gesetzeslage von PV-Anlagen < 30 kWp maximal 70 % der installierten Leistung eingespeist werden dürfen und ohne integrierten Energiespeicher die Leistung abgeregelt werden muss.

Eine Deckung des Elektroenergiebedarfs zur Klimakälteerzeugung aus dem PV-Eigenertrag kann durch Speicherung in Form von Elektroenergie oder Kälte erreicht werden. Die Nutzung eines Eisspeichers ermöglicht es, Kälte mit einer hohen volumetrischen Energiedichte preiswert und verlustarm zu speichern.

Die Kopplung von einem Eisspeicher mit einem Mono-Split-Klimagerät hat vor allem die Erhöhung des Eigenverbrauchs an PV-Strom zum Ziel. Ebenso wird damit der Forderung der novellierten EU-Gebäuderichtlinie (EPBD) Rechnung getragen (siehe Infobox EPBD), dass der nur noch geringe zulässige Gebäudeenergiebedarf aus erneuerbaren Energien, die am oder nahe dem Gebäudestandort umgewandelt wird. Darüber hinaus ist eine Teilnahme am Primärenergieregelmarkt, z.B. zur Blindleistungsreglung durch den Verbund einer Vielzahl von Split-Klimageräten mit integriertem Eisspeicher denkbar. Unter den aktuell geltenden Rahmenbedingungen erscheint letzteres allerdings (noch) nicht wirtschaftlich.

Theoretische Untersuchungen des Potentials

Mit „Modelica“/„Dymola“ wurde eine Modellierung des Mono-Split-Klimagerätes mit integriertem Eisspeicher erstellt und zur Durchführung von dynamischen Jahressimulationen mit einem Gebäudemodell und Wetterdaten verknüpft [3]. Mit der Simulation wurde als Referenzfall ein Einfamilienhaus mit einer PV-Anlage und einem herkömmlichen Mono-Split-Klimagerät betrachtet und mit einer Variante mit integriertem Eisspeicher verglichen. Anhand der in Bild 2 dargestellten Ergebnisse wird ersichtlich, dass ohne jegliche Speichermöglichkeit abends für die Klimatisierung Strom aus dem Netz benötigt wird. Der solare Anteil an der Klimatisierung liegt unter 45 %. Mit dem Eisspeicher kann der abendliche Kältebedarf aus dem Speicher gedeckt werden. Bei einer Speichergröße von 5 kWh ist eine Erhöhung des solaren Anteils auf über 80 % möglich. Insgesamt ist allerdings ein höherer elektrischer Energiebedarf festzustellen. Das hängt vor allem mit der tieferen Verdampfungstemperatur bei der Beladung des Eisspeichers zusammen.

Am vierten Tag in Bild 2 kann der Kältebedarf in den Abendstunden nicht alleine durch den Eisspeicher gedeckt werden, so dass Strom aus dem Netz bezogen werden muss. In der Simulation erfolgt die Kühlung indirekt über einen Wasserkreis. Aufgrund der relativ schlechten Effizienz des direkten Kühlbetriebs in der betrachteten Verschaltung fällt der Strombedarf im Vergleich zum Referenzfall deutlich höher aus. Dieses Problem wird jedoch mit den in Tabelle 1 dargestellten Konzepten nicht erwartet, da im Innengerät ein Verdampfer vorhanden ist.

Konzeptentwicklung zur Eisspeicherintegration in ein Mono-Split-Klimagerät

Ein konventionelles Mono-Split-Klimagerät besteht aus einer außen aufgestellten Außeneinheit, die durch die Wand über Kältemittelleitungen mit einer Inneneinheit innerhalb des Gebäudes verbunden ist. Außen befinden sich Kompressor, luftgekühlter Verflüssiger mit Ventilator und das elektronische Expansionsventil (EEV). In der Inneneinheit sind üblicherweise ein luftdurchströmter Verdampfer mit Ventilator und die Steuereinheit integriert.

Für die Integration eines Eisspeichers in einem Split-Klimagerät sind prinzipiell viele Möglichkeiten denkbar.

Um das Temperatur- und Druckniveau nicht unnötig weiter abzusenken, wird für die Beladung des Eisspeichers nur der Einsatz eines direkt beaufschlagten Verdampfers für sinnvoll erachtet und die Einbindung über einen separaten Solekreis verworfen. Aus Kosten- und Platzgründen soll im Eisspeicher nur ein Wärmeübertrager eingebaut sein.

Die aktuell geltenden Richtlinien und Verordnungen wirken sich direkt auf die Konzeptentwicklung aus:

Strenge Anforderungen an die Effizienz beim direkten Kühlbetrieb

Gütesiegel wie z.B. der Blaue Engel sowie die Einteilung in Effizienzklassen nach der europäischen ErP-Richtlinie [5] gehen vom stationären Betriebsfall ohne Speichereinsatz aus (z.B. ErP-Richtlinie: SEER Cooling > 4,6). Dieser Betriebsfall ist bei der geplanten Anwendung zwar eher selten, kann aber nicht gänzlich ausgeschlossen werden. Dementsprechend darf die konventionelle Betriebsweise von der Eisspeicherintegration nicht beeinträchtigt werden. Dadurch steigen allerdings zwangsläufig der Aufwand an die Regelung sowie an den Materialeinsatz und damit zugleich auch die Kosten des Gesamtsystems.

Langfristig Einsatz natürlicher Kältemittel notwendig

Gemäß der europäischen F-Gase-Verordnung [6] ist ab 1. Januar 2025 das Inverkehrbringen von Mono-Split-Klimageräten mit einem Kältemittel mit einem Global Warming Potential (GWP) > 750 untersagt (siehe Infobox F-Gase-VO).

Bei einer fortschreitenden Regelverschärfung können langfristig fast ausschließlich natürliche Kältemittel eingesetzt werden. Damit gehen erhöhte Sicherheitsanforderungen und veränderte Randbedingungen einher, wie z.B. geringe zulässige Füllmengen beim Einsatz brennbarer Kältemittel oder eine deutlich erhöhte Drucklage beim Einsatz von CO2.

Aus technischen, ökonomischen und wirtschaftlichen Gründen wurden aus der Vielzahl an theoretisch möglichen Varianten die beiden Vorzugskonzepte in Tabelle 1 ausgewählt. Beiden Varianten haben jedoch gemein, dass mindestens eine relevante Komponente nicht marktverfügbar ist und noch entwickelt werden muss.

Soll im Innengerät sowohl ein Verdampfer für den direkten Kühlbetrieb als auch ein zusätzlicher Wasser-Wärmeübertrager für die Speicherentladung über eine externe Schmelze integriert werden, muss ein neuartiges Innengerät entwickelt werden.

Für die Speicherentladung mittels interner Schmelze ist eine Umwälzpumpe für das Kältemittel notwendig, die aktuell nicht marktverfügbar ist. Vor allem die niedrige Viskosität und die hohe Drucklage verhindern den Einsatz handelsüblicher Pumpen. Die Ursache liegt vorrangig darin, dass es bislang kein vergleichbares Anforderungsprofil in gängigen technischen Anwendungen gibt, weniger in den physikalisch-technischen Grenzen. Die geforderten Druckdifferenzen innerhalb des Kreislaufs sind klein, die Effi­zienzvorgaben eher gering. Pumpen mit ähnlichen Volumenströmen finden sich z.B. in Getränke- und Kaffeeautomaten, müssten in der Gehäuseausführung allerdings für den hohen Innendruck weiterentwickelt werden.

Praktische Untersuchungen und Funktionsnachweis

Bei den ersten Untersuchungen stand das Zusammenspiel von Eisspeicher mit einer Split-Außeneinheit im Vordergrund. Das Außengerät wird bei der Beladung eines Eisspeichers auf der Niederdruckseite außerhalb des üblichen Anwendungsbereiches betrieben. Da hierzu weder Daten noch Erfahrungen verfügbar waren, wurde bewusst ein überdimensioniertes Außengerät mit einer Nennkälteleistung von 4,0 kW gewählt (Fujitsu-„AOYG 14LMCA“). Für die Speicher­entladung über eine externe Schmelze wurde zunächst ein elektrischer Widerstandsheizer eingesetzt [6].

Um den Entladeprozess durchführen zu können, wurde der maximale Eisgehalt im Eispeicher mit 75 bis 80 % festgelegt. Die Verdampfer wurden so angeordnet, dass sich bei maximaler Beladung zwischen den Eisblöcken noch flüssiges Wasser befindet. Für den eingebauten Eisspeicher wurde ein atmosphärischer, quaderförmiger Behälter mit einem Wasserfüllvolumen von rund 60 l gewählt (entsprechend einer Speicherkapazität von etwa 5 kWh).

Weiterhin war eine kleinere Modifikation der Regelung hinsichtlich des Vereisungsschutzes notwendig. Anschließend konnte im Speicher Eis erzeugt werden.

Die Ergebnisse zur Eisspeicherbeladung mit je zwei unterschiedlichen Verdichterdrehzahlen (entsprechend 20 % (schwarzes Dreieck) und 75 % (schwarzes Viereck)) Teillast des Außengerätes) sind in Bild 4 dargestellt. Bei der Auswertung wurde vor allem Augenmerk auf die Kälteleistung Q0 und den elektrischen Energiebedarf Pel gelegt. Der in Bild 4 aufgetragene Energy Efficiency Ratio (EER) entspricht dem Quotienten aus Q0 und Pel. 

Prinzipiell sind bei geringerem Teillastbetrieb geringere Kälteleistungen, höhere Verdampfungstemperaturen und höhere EER-Werte zu erwarten. Die deutliche Effizienzsteigerung bei der niedrigeren Drehzahl ist vor allem auf die integrierte Leistungsregelung mittels Inverter zurückzuführen. Der thermische Widerstand der wachsenden Eisschicht führt zu einem allmählichen Absinken der Verdampfungstemperatur, der Kälteleistung und des EER-Werts. Der festgelegte maximale Eisgehalt von 75 % wird erreicht, ohne dass bei 75 % Teillastbetrieb die Verdampfungstemperatur unter -18,8 °C sinkt. Die Leistungsgrenzen des Verdichters wurden bei den Untersuchungen mit dem eingesetzten Verdampfer nicht erreicht.

Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass die Beladung eines Eisspeichers mit einer Außeneinheit eines herkömmlichen Mono-Split-Klimageräts möglich ist. Hierfür sind allerdings Modifikationen an der Standardregelung der Außeneinheit notwendig. Der Speicher konnte innerhalb einer realistischen Zeitspanne mit einem guten EER-Wert beladen werden.

Für den Aufbau eines kompletten Mono-Split-Klimageräts mit integriertem Eisspeicher müssen relevante Komponenten neu- bzw. weiterentwickelt werden. Anschließend soll der Funktionsnachweis erbracht und Effizienzmessungen durchgeführt werden. 

Literatur

[1] Holley, A.M. “Global Trends in Air Conditioning” 2014, Chillventa
[2] Richter, M. et al. „Klimafreundliche Gebäudeklimatisierung – Ein Ratgeber für Architekten, Bauherren und Planer“, Juli 2014, Fachbroschüre des Umweltbundesamts, ISSN 2363-8311
[3] Richter, M. et al., „Eisspeicherintegration in einem Mono-Split-Klimagerät – Experimentelle und theoretische Untersuchungen”, Vortrag
[4] Heinrich, C. et al., “Increasing the Photovoltaic Self-Consumption by Integration of an Ice Storage into a Mono-Split-Air Conditioning Unit”, 2017, International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, Abu Dhabi
[5] Verordnung (EG) Nr. 206/2012 der Kommission vom 6. März 2012 zur Durchführung der Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates
[6] Verordnung (EU) Nr. 517/2014 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. April 2014 über fluorierte Treibhausgase und zur Aufhebung der Verordnung (EG) Nr. 842/2006

EU-Gebäuderichtlinie (EPBD)

Die EU-Gebäuderichtlinie setzt Mindestanforderungen an die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden sowie an Verfahren zu deren Berechnung. Die Umsetzung in nationales Recht erfolgt über die Energieeinsparverordnung (EnEV).
Die beschlossene novellierte Gebäuderichtlinie EPBD 2010/31/EU fordert für Neubauten ab 2020 (bzw. bereits ab 2019 für öffentliche Gebäude) die Umsetzung als Niedrigstenergiegebäude (Artikel 9). Weiterhin soll der äußerst geringe Energiebedarf vorwiegend aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt werden, welche Energie am oder nahe dem Gebäudestandort liefern. Aktuell steht mit der COM/2016/0765 ein Entwurfsvorschlag zur Novellierung der Gebäuderichtlinie zur Diskussion.
Zur Einhaltung der Forderun­gen aus der EU-Gebäuderichtlinie wird zukünftig weitere Verschärfung der EnEV notwendig.

Ökodesign-EU-Richtlinien für energieverbrauchsrelevante Produkte und deren Anwendung auf die Kälte- und Klimatechnik

Die europäische Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG regelt die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte in der Europäischen Union. Die Umsetzung in nationales Recht erfolgt über das Energiebetriebene-Produkte-Gesetz EBPG von 2008. Für die Klimatisierung von Wohngebäuden mit Split-Klimageräten ist vor allem „ENER Lot 10: Raumklimageräte bis zu 12 Kilowatt Leistung und Komfortventilatoren“ und die darauf basierende Verordnung für Raumklimageräte und Komfortventilatoren (Verordnung (EG) Nr. 206/2012) von Bedeutung. Darin sind Mindestanforderungen zur Energieeffizienz festgelegt, welche eine kontinuierliche Verschärfung über die nächsten Jahre einbeziehen. Für Kälte- und Klimaanlagen wird diese in Form der saisonalen Arbeitszahl SEER formuliert.
https://www.eceee.org/ecodesign/products/airco-ventilation/

Verordnung über fluorierte Treibhausgase

Die Verordnung (EU) Nr. 517/2014 (F-Gase-Verordnung) hat zum Ziel, die Emissionen fluorierter Treibhausgase, wie beispielsweise HFKW-Kältemittel, in der EU zu reduzieren. Hierzu werden in der Verordnung u.a. die folgenden Maßnahmen festgelegt und geregelt:
Einführung zulässiger Höchstmengen für das Inverkehrbringen von HFKW, wobei die zulässigen Mengen zukünftig weiter schrittweise reduziert werden
Anwendungsspezifische Verbote von Kältemitteln, z.B. dürfen bestimmte Mono-Split-Klimageräte ab 1. Januar 2025 nur mit Kältemitteln mit einem GWP kleiner 750 in Verkehr gebracht werden.
Serviceverbote an Kälteanlagen mit bestimmten Kältemitteln (GWP >2500)

Danksagung

Sämtliche Untersuchungen wurden im Rahmen des SolarSplit-Projektes durchgeführt (Förderkennzeichen: 0325900A). Ein besonderer Dank gilt somit dem Projektträger Jülich und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

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