Mit Sonnenlicht kühlen
Sonneneinstrahlung für die Kühlung einzusetzen, funktionierte bisher nur über energieintensive Zwischenstationen. So gewann man in der Regel mit einem Photovoltaikelement Strom und betrieb damit ein elektrisches Kühlaggregat. Die Firma Lindner hat nun ein bekanntes, bislang jedoch als unwirtschaftlich geltendes, chemisches Verfahren zur Kältegewinnung weiterentwickelt, so dass mit diesem Verfahren Kälte über Sonnenenergie gewonnen und wirtschaftlich genutzt werden kann. Diese Neuheit befindet sich derzeit in der Monitoringphase und steht kurz vor der Markteinführung.
Das Prinzip der solaren Kühlung ist keine Neuentdeckung. Siegfried Kargl, Entwickler und Planer für HLSK-Technik bei der Lindner Group, entdeckte das Thema für das Unternehmen als eine innovative und nachhaltige Idee, welche man zur Marktreife weiterentwickeln könne, über einen Fachbeitrag auf einem Kongress im Jahre 2006.
Von der Firmengeschichte her zählen die Verarbeitung von Sonnenenergie und die Organisation der thermischen Haustechnik nicht zur Kernkompetenz des Konzerns. Ursprünglich vom Innenausbau kommend, produziert die Firma noch heute unter anderem auch thermisch aktive Deckensegel zur Klimatisierung von Innenräumen. Und tatsächlich sind für diese „Endgeräte“ die thermischen Spezifikationen, die mit dem Prinzip einer entsprechenden Kühlung erzielt werden können, ideal. So entschloss man sich hier, „das Pferd einmal von hinten aufzuzäumen“ und eine Energieart zur Marktreife zu entwickeln, für die es schon die perfekten Einheiten am inneren Zielpunkt des Kreislaufes gibt.
Hochinteressant wurde die solare Kühlung gewissermaßen durch ihre Ineffektivität. Erreicht man mit dynamischer Energie, also etwa mit Kompressoren, die entweder mit Strom oder fossilen Brennstoffen betrieben werden, eine Vorlauftemperatur von rund 7 °C, so kommt man hier lediglich auf 16 °C. Deckensegel werden aber genau mit diesen Temperaturen betrieben. Denn einerseits sind es großflächige Einheiten, die nur eine geringere Temperaturdifferenz zur Innenraumtemperatur benötigen – im Vergleich zu einem Umluftgebläse, welches die erwärmte Raumluft durch ein verhältnismäßig kleines Kühlgitter saugt. Zum anderen sollte auch der Temperaturunterschied zwischen Raum und Decke nicht all zu groß sein, da es sonst zu einem Tauwasserausfall käme und es von der Kühldecke tropfen würde.
Die neue Anlage ist ein Pilotprojekt, das zusammen mit dem Zentrum für Angewandte Energietechnik (ZAE) in Garching entwickelt wurde und von der bayerischen Forschungsstiftung mit 500 000 Euro gefördert wird. Das Projekt hat ein Gesamtvolumen von rund 1,3 Mio. Euro und befindet sich nunmehr in der Erprobungsphase. Derzeit findet ein umfassendes Monitoring statt, währenddessen über zahlreiche Messfühler, Überwachungs- und Steuerungseinheiten die Funktion der Anlage über den alljährlichen Wetterverlauf beobachtet wird. Das Entwicklungsziel ist ein Komplettpaket vom Sonnenkollektor bis zum Deckensegel, so dass der Endkunde einfach nur noch einen Schalter kippen muss.
150 Kollektoren zur
Energiegewinnung
Auf einer Teilfläche des Flachdaches der größten Fertigungshalle der Lindner Group in Arnstorf sind 150 marktübliche Sonnenkollektoren mit einem Nennmaß 1000 x 2000 mm montiert. Alle zusammen weisen eine Absorptionsfläche von gut 300 m² auf. Wie die meisten anderen Sonnensegel sind sie dem hiesigen Breitengrad entsprechend geneigt und nach Süden orientiert montiert. Eine dynamische, dem Sonnenverlauf folgende Nachführung war im Vorfeld erwogen, hierfür aber als unwirtschaftlich erachtet worden.
Die Montage erfolgte starr auf einem Stahlrahmen, der erforderlich war, um die immensen zusätzlichen Lasten zu den seitlichen Auflagerpunkten der Halle zu führen, da alleine das Trapezblech des Daches mit einer Aufnahme dieser Lasten überfordert gewesen wäre. Durch die Kollektoren fließt einfaches Wasser, das von der Sonne entsprechend erhitzt wird. Aus Frostschutzgründen ist es lediglich glykolversetzt. Es bleibt ganzjährig eingespeist, weil ein saisonaler Austausch zu aufwendig wäre.
Absorptionskältemaschine
Der funktionale Kern der Anlage ist eine Absorptionskältemaschine. Während bei einer herkömmlichen Anlage die Kompression des Kältemittels auf hydraulisch-mechanischem Wege geschieht, findet die hier die Verdichtung auf chemischem Wege statt.
Wie bei jeder anderen Kältemaschinen führen auch hier zwei verschiedene thermische Kreisläufe nach außen: ein kalter Kreislauf, der zum Kühlen benutzt wird und ein warmer Kreislauf, der mit einer Kühleinheit im Außenbereich verbunden ist. Allerdings tauschen sich diese beiden Systeme, wie sonst üblich, hier nicht direkt miteinander aus, sondern sie führen zu unterschiedlichen Einheiten der Kältemaschine. Schließlich benötigt auch dieses Klimagerät eine Zufuhr von externer Energie für den Betrieb. Statt des üblicherweise strombetriebenen Kompressors wird hier heißes Wasser genutzt, das von der Sonne erhitzt wurde.
Bei einer Absorptionskältemaschine erfolgt die Verdichtung durch ein von der Temperatur abhängiges Lösungsverhalten des Kältemittels. Dabei wird das Kältemittel, hier destilliertes Wasser, in einem Lösungsmittelkreislauf bei geringer Temperatur in Lithiumbromid (LiBr) absorbiert und bei höheren Temperaturen desorbiert. Bei diesem Prozess wird das anhand der Temperatur unterschiedliche Lösungsverhalten der beiden Stoffe ineinander ausgenutzt.
Konkret wird das als Kältemittel verwendete Wasser in einem nahezu evakuierten Behälter auf eine Rohrschlange gesprüht und verdampft bei ca. 3 °C. Die so frei werdende Verdampfungswärme kühlt dabei diese Rohrschlange. Verfahrenstechnisch nutzbare Kälte entsteht.
Allerdings würde eben jener Verdampfungsprozess stoppen, wenn die Sättigung des Kältemittels erreicht ist. Aus diesem Grund muss der hier verwendete Wasserdampf permanent abgeführt werden. Dazu wird das Lithiumbromid eingesetzt, das stark wasseranziehend bzw. hygroskopisch ist und daher den Wasserdampf bindet: Er wird absorbiert. Deshalb auch die Bezeichnung Absorptionskältemaschine. Aber auch dieser Prozess käme zum erliegen, wenn das Lithiumsalz seine Sättigung erreicht, weshalb in einem zweiten Schritt dem LiBr das Kältemittel Wasser permanent entzogen wird. Dazu pumpt man die Wasser-Salzlösung in einen Austreiber, in welchem man die Feuchtigkeit aus dem Salz „ausgekocht“. Das so entstandene wasserfreie Salzfluid wird anschließend zurückgeführt. Der herausgekochte Wasserdampf dagegen gelangt in einen Kondensator und wird dort von einem separaten Wasserkreislauf herabgekühlt. Dieser Kondensatorkühlkreislauf ist der eingangs erwähnte, wärmere zweite, den man von außen wahrnimmt. Zu ihm gehört bei der Arnstorfer Versuchsanlage ein großer, horizontal angeordneter Flachkühler, der ebenfalls auf dem Hallendach montiert ist und wie ein Kraftwerkkühlturm funktioniert.
Drainback-System
Ein besonderer Clou des Verfahrens ist das Drainback-System, mit dem ein Entleeren der solaren Energiesammler möglich ist, ohne dass der Kreislauf entlüftet werden muss. Die bemerkenswerte verfahrenstechnische Konstruktion weist einen großen Behälter auf, der unterhalb der Kollektoren platziert ist und in welchem mit Ausschalten der Umwälzpumpen das Wasser des Vorlaufs gesammelt wird. So wird bei Stillstand des Systems ein Überhitzen der Einheiten infolge von übermäßiger Sonneneinstrahlung vermieden. Auch in Frostperioden ist das System nicht von Nachteil. Der Drainback-Prozess wird grundsätzlich an betriebsfreien Tagen aktiviert, da dann die Räume nicht gekühlt werden müssen und so die Energie zum Betrieb der Anlage eingespart wird.
Wärme im Winter
Bemerkenswerterweise kann die Anlage nicht nur an heißen Tagen im Sommer gefahren werden, sondern auch an sonnigen Tagen in der Übergangszeit. An Tagen nämlich, an denen die durch solare Einstrahlung erzielte Vorlauftemperatur in den Bereich des angestrebten, gebäudeinternen Kühlkreislaufs gelangt, wird der äußere mit dem inneren einfach „kurzgeschlossen“. Auf diese Weise können sowohl die Räume gekühlt als auch erwärmt werden, denn die Deckensegel sind für beide Anwendungen, also auch zum Heizen im Winter, konzipiert. Dabei gilt dasselbe Funktionsprinzip wie beim Kühlen: Nur ein geringe Vorlauftemperatur ist erforderlich. Freilich muss diese zum Heizen etwas wärmer als der Raum sein, allerdings sind selbst in tiefen Wintern nur maximal 27 °C erforderlich.
Dynamische Energie
Neben der solaren Erwärmung besteht auch noch die Möglichkeit, die Vorlauftemperatur durch dynamische Energie zu erhitzen. De facto ist das ein Brenner, der mit fossilem Brennstoff, hier Erdgas, das Wasser erhitzt. Letzteres ist unterhalb gewisser Außentemperaturen und insbesondere bei Schnee im Winter erforderlich. Es kann aber auch notwendig werden, wenn es beispielsweise schwülwarm bei bedecktem Himmel ist oder extreme Hitze herrscht. In solchen Fällen reicht die Leistung der Sonnenkollektoren nicht aus, und es muss zugefeuert werden, um den Kältebedarf zu decken.
Generell hat die Anlage eine maximale Leistung von 160 kW. 90 kW können davon über die solaren Kollektoren erzeugt werden. Überraschenderweise muss der Brenner in stärkerem Maße in heißen Perioden zum Unterstützen der Kühlung herangezogen werden, als zum eigentlichen Heizen im Winter. Der Wirkungsgrad der Anlage hängt von seiner Nutzung ab. Im Sommer bei Betrieb der solaren Kühlung erreicht das System einen Deckungsgrad von 70 % und 30 % müssen noch „zugefeuert“ werden. Schließlich ist sogar beim solaren Heizen während der Übergangszeit eine Deckung von 60 % zu erreichen.
PCM-Wärmespeicher
Die Anlage besitzt mit einem Wärmespeicher aus Phase-Change-Material (PCM) noch ein weiteres innovatives Feature. In diesem kann überschüssige Energie aus dem Vorlaufkreislauf der Sonnenkollektoren gespeichert werden, sofern diese nicht unmittelbar benötigt wird. Ein PCM-Wärmespeicher ist ein sogenannter Latentwärmespeicher. Die grundsätzliche Arbeitsweise richtet sich nach der Erkenntnis, dass Phasenwechselmaterialien über Lösungs-, Schmelz und Verdampfungswärme deutlich mehr Energie speichern und abgeben können, als aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität. Die dafür am häufigsten und auch hier ausgenutzte thermodynamische Zustandsänderung ist ein Phasenübergang von fest zu flüssig. Verwendet wurde für diese Anlage ein Wärmespeicher auf Salz-Sole-Basis.
Regelungstechnik
Der PCM-Speicher steht zusammen mit der gesamten Regelungstechnik der Anlage in einem Seitenflügel im Obergeschoss der eingangs erwähnten, großen Fertigungshalle, in der vor allem Fassadenteile gefertigt werden. Besonders stolz ist Siegfried Kargl auf den Umstand, dass in diesem zwar recht hohen, aber flächenmäßig verhältnismäßig kleinen Technikraum auch die gesamte Produktplatte von Dämmmaterialien verwendet wird, die zum Produktportfolio der Lindner Group gehört. Ein wenig erscheint der Technikraum mit seiner gläsernen Zugangstür und einer rechts daneben montierten Festverglasung wie ein Schaufenster, so dass die gerahmte Urkunde links daneben leider kaum auffällt. Sie bezeugt, dass 2009 das Bundesumweltministerium der Firma Lindner für das Pilotprojekt „Solare Klimatisierung für Bestands- und Neugebäude“ einen 1. Preis verliehen hat – den 3. Deutschen Kältepreis in der Kategorie „Klimafreundliche Klimatisierung von Gewerbegebäuden“. Zweifellos eine bedeutsame Ehrung, die verantwortungsvoll in eine nachhaltig gestaltete Zukunft weist.
