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Kältetechnik

Rationelle Strom, Wärme- und Kälteversorgung in einem Krankenhaus
Kältetechnik

Übersicht
Adsorptions-Kältemaschine
Kompressionskältemschine
Rückkühlwerk
Eisspeicher
Solarklima
Kühldecke
Klimatechnik


Übersicht

Kältetechnisches Schaltbild des Krankenhauses Kamenz

Schaltbild Kältetechnik

 

Die Kälte wird von einer Adsorptions- und einer Kompressionskältemaschine geliefert. Erstere wird von Brennstoffzelle und Solaranlage versorgt und befriedigt die Grundlast, letztere arbeitet mit elektrischen Strom und befriedigt die Spitzenlast. 
Die Aufteilung wurde nicht aufgrund der bei größeren Anlagen existierenden wirtschaftlichen Vorteile sondern aufgrund der unzureichenden Heizleistung der Brennstoffzelle sowie im Interesse einer hohen Versorgungssicherheit gewählt. 

Außerdem existieren im System noch weitere Komponenten:

  1. Ein Eisspeicher verlegt den Betrieb der Kompressionskältemaschine in die preiswerte Niedertarifzeit.
  2. Ein offenes nasses Rückkühlwerk dient der Abführung der Abwärme beider Kältemaschinen. Die in einigen Anlagen übliche Nutzung der Abwärme für die Warmwasserbereitung ist in Kamenz nicht sinnvoll, da Niedertemperatur- bedarf vollständig durch den Niedertemperaturteil der Brennstoffzelle abgefangen wird.
  3. Ein Mischbehälter mit 1500 Liter Volumen gleicht die zyklusbedingt schwankende Kältetemperatur der Adsorptionsmaschine soweit aus, daß es bei den Klimaverbrauchern keine Probleme gibt.
  4. Ein Wärmeübertrager trennt den Rückkühlkreis der Adsorptionsmaschine vom Hauptkühlwasserkreis. Dies ist notwendig, weil es während der Zyklusumschaltung zu einer Vermischung von Heiz- und Kühlkreis kommt und es daher ohne hydraulische Trennung zu einer Verschleppung von Schmutz aus dem Kühlturm bis zum letzten Heizkörper kommen würde.
  5. Ein weiterer Wärmeübertrager trennt den Primärkältekreis von Kompressionskältemaschine und Eisspeicher vom Hauptkältekreis. Grund ist die Solefüllung des Primärkältekreises.
  6. Rückkühl-und Kältesammler 
  7. Ein Bypassventil am Kältesammler stellt sicher, daß die Adsorptionskältemaschine auch bei plötzlichem Ausfall der Hauptkältekreispumpe weiter durchströmt wird. Dies ist erforderlich, um die Adsorptionskältemaschine sicher und ohne Einfrierschaden abfahren zu können.

Prognose für den Auslegungstag

Kälteprognose am Auslegungstag

Der Klimakältebedarf  beginnt bei Überschreiten der angestrebten Zulufttemperatur von 18°C durch die Außentemperatur, erreicht den Maximalwert gegen 16.00 Uhr und fällt zum Abend leicht ab. 
Der Eisspeicher war in den Nachtstunden von der Kompressionskältemaschine geladen worden. In den Vormittags reicht der Adsorber für die Deckung des Klimakältebedarfs zunächst aus. Gegen Mittag übersteigt der Kältebedarf die Adsorberleistung und der Eisspeicher wird allmählich entladen. Dabei geht die Adsorberleistung leicht zurück, da der Adsorber bereits den Wärmespeicher weitestgehend entladen hat und die verfügbare Adsorberheiztemperatur zurückgeht (im Bild nicht dargestellt).
In den frühen Nachmittagsstunden reicht die verfügbare Entladeleistung des Eisspeichers kurzzeitig nicht aus und die Kompressionskältemaschine muss betrieben werden, allerdings mit eingeschränkter Leistung. 
Es wird davon ausgegangen, daß die KKM nur an etwa fünf Tagen im Jahr tagsüber laufen muss. 
Erst in den späten Abendstunden ist der Kältebedarf soweit zurückgegangen, daß der Adsorber den Kältebedarf wieder vollständig abdecken kann und die Entladung des Eisspeichers beendet werden kann. 
 


Adsorptions-Kältemaschine

Übersicht
Funktion
Auslegung
Betriebsverhalten
Hersteller
www.adsorber.de
Mycom ADR 30

Adsorptionskältemaschine


Schaltschrank

Schaltschrank geöffnet

Vakuumpumpe



Adsorptionskältemaschine
   
Sorptionskältemaschinen nutzen die  Exergie von höhertemperierter  Wärmeenergie, um Wärme von einem  niedrigen Temperaturniveau auf ein mittleres Temperaturniveau zu heben.   Sie erfreuen sich aufgrund des Strebens nach besserer sommerlicher Auslastung von KWK-Anlagen und der allmählichen
Markteinführung der solaren Klimatisierung zunehmender Beliebtheit.  
Bisher wurden vor allem Absorptionsmaschinen mit dem Stoffpaar Lithiumbromid/Wasser eingesetzt. In Kamenz wird jedoch eine neuartige Maschine mit dem Stoffpaar Silicagel/Wasser erprobt. Diese ist zwar etwas teurer, kommt aber mit niedrigeren Heiztemperaturen aus und besitzt ein potentiell besseres Teillastverhalten.

Funktionsweise einer Adsorptionskältemaschine
Eine Adsorptionskältemaschine besteht aus zwei mit Sorptionsmittel gefüllten Arbeitskammern sowie einem Kondensator und einem Verdampfer. Als Sorptionsmittel wird Silicagel und als Kältemittel Wasser eingesetzt. Der Prozess ist diskontinuierlich und geschlossen. Während eines Zyklus laufen folgende Vorgänge ab: 
  1. Das an das Silicagel angelagerte Wasser wird in der rechten Kammer unter Wärmezufuhr ausgetrieben. 
  2. Das Wasser wird im Kondensator verflüssigt und Wärme an das Kühlwasser abgeführt.  
  3. Das Kondensat wird in den Verdampfer eingesprüht und bei starkem Unterdruck verdampft. Dabei wird Wärme aus dem Kaltwasser entnommen und dieses dabei auf die für die Klimaanlage erforderliche Temperatur abgekühlt.  
  4. In der linken Kammer wird der Wasserdampf adsorbiert und die entstehende Wärme an das Kühlwasser abgeführt.
Durch einfaches Umlenken des Heiz- und Kühlwasserkreislaufes zwischen den beiden Kammern werden die Funktionen Austreiber und Adsorber am Ende eines Zyklusses vertauscht und der Prozess beginnt von Neuem. Im Auslegungszustand dauert ein Arbeitszyklus 400 Sekunden.  Zwischen zwei Arbeitszyklen liegt noch eine Umschaltphase von 20 Sekunden, so daß der Gesamtzyklus sieben Minuten dauert. Während der Umschaltphase werden beide Kammern in Reihe durchströmt, so dass Wärme zurückgewonnen wird. 

Eigenschaften der Adsorptionskältemaschine in Kamenz
Auslegungsdaten

Eintritts.-temp. [°C] Austrittstemp. [°C] Vol.-strom [m3/h] Leistung [kW]
Heizseite
80
70
17,1
199
Rückkühlseite
25
30
55
319
Kälteseite 12
6
16,2
113
Typischer realer Betriebsfall


Eintritts.-temp. [°C] Austrittstemp. [°C] Vol.-strom [m3/h] Leistung [kW]
Heizseite
70
65
26
151
Rückkühlseite
26
29,8
56
247
Kälteseite 12,1
8
20
95
Betriebsverhalten
Im Folgenden werden die gemessenen Eigenschaften der Maschine bei Betrieb in Vollast zusammengestellt. In der Tabelle sind die Daten jeweils in 30-Minuten-Mittelwerten zusammengefasst:
Tag   Zeit Kälte Kühlung Heizung COP Soll
taus Leistung tein tein Leistung
Lstg. COP
°C kW °C °C kW - kW -
15.08.00 15:00 .. 15:30 7,1 99 26,9 73,7 160 0,62 114 0,61
15:30 .. 16:00 7,8 104 27,1 72,6 184 0,57 112
16.08.00 04:00 .. 04:30 7,6 59 29,5 68,1 125 0,47 64 0,54
04:30 .. 05:00 7,4 57 29,6 68,3 119 0,48 62
08:00 .. 08:30 7,4 87 26,2 67,7 140 0,62 99 0,59
08:30 .. 09:00 7,6 88 25,6 66,9 156 0,56 104
09:00 .. 09:30 8,0 86 26,1 66,3 132 0,65 99
09:30 .. 10:00 8,0 85 26,2 65,8 149 0,57 95
Zunächst ist festzustellen, dass die Kältemaschine tatsächlich bei Heiztemperaturen um 65 °C korrekt arbeitet, also in einem Temperaturbereich, der für Absorptionskältemaschinen nicht nutzbar ist. Nachts ist die Leistung geringer als am Tage. Dies ergibt sich aus der nachts aufgrund Schallschutzgründen verminderten Ventilatordrehzahl.
Die Maschine erreicht gegenwärtig etwa 85 % der im Katalog angegebenen Leistung. Hier ist die Tendenz festzustellen, dass dieser Leistungsanteil seit Inbetriebnahme am 14. Juli kontinuierlich ansteigt. Ursache sind vermutlich die noch im Silicagel enthaltenen Inertgase, die jetzt langsam ausgetrieben werden.
Das Kälteverhältnis, auch COP genannt, liegt bereits annähernd beim Katalogwert von circa 0,6. Die Schwankungen zwischen 0,56 und 0,65 sind rein messtechnisch bedingt.
 

Im nebenstehenden Doppeldiagramm sind die Temperaturverläufe für drei Zyklen dargestellt. Es handelt sich hierbei um die Zeit von 08.00 bis 08.30 Uhr am 16. August 2000.
Bei Zyklusumschaltung steigt die Kältevorlauftemperatur an, da keine Adsorption und folglich keine Kälteentwicklung stattfindet. Dem schliesst sich eine Phase an, in der die neue Adsorberkammer erst abgekühlt werden muss und auch keine Kälteentwicklung stattfindet.

Danach gibt es eine sehr grosse Kälteproduktion, da die Adsorberkammer sehr trocken ist und intensiv adsorbiert. Die Kältevorlauftemperatur fällt stark ab. Gegen Zyklusende geht das Adsorptionsvermögen zurück und die Kältevorlauftemperatur steigt wieder an.

Die starke Schwankung der Kältevorlauftemperatur zwischen 6 °C und 10,5 °C wäre für die Kälteverbraucher regelungstechnisch schwer beherrschbar. Der kleine, mit der Kältemaschine in Reihe geschaltete Speicher dämpft diese Schwankung erfolgreich ab.

Temperaturverlauf der AdsorptionsKältemaschine

Hersteller
Albring Industrievertretung GmbH
Im Schelmböhl 71
64665 Alsbach-Hähnlein
Tel.: 06257/64187
Fax: 06257/64143
mail: albring-GmbH@t-online.de
Die Albring Industrievertretung GmbH vertreibt Adsorptionskältemaschinen 
(Bezeichnung "Mycom ADR") des japanischen Herstellers Mayekawa Mfg. Co.

 

Kompressions-Kältemaschine

Kompressions-Kältemaschine

Die Kompressionskältemaschine dient der Abdeckung der Spitzenlast des Kältebedarfs. Sie belädt im Normalfall nachts den Eisspeicher. Nur an sehr heißen Tagen muß sie auch tagsüber in Aktion treten. Die Maschine weist zwei vollkommen getrennte Kältekreise auf und nutzt R 134a als Kältemittel. Der Einsatz dieses FCKW-Ersatzstoffs ist für eine Eisspeichermaschine noch untypisch.

Link zum Hersteller (York) 


Rückkühlwerk

Rückkühlwerk in Kamenz

Das Rückkühlwerk dient der Abführung der Abwärme beider Kältemaschinen. Die Abwärme fällt bei einem Temperaturniveau von unter 30°C an und ist nicht anderweitig nutzbar. Die Kompressionskältemaschine ist direkt und die Adsorptionskältemaschine über einen Wärmeübertrager an das Rückkühlwerk angeschlossen. 
Es kommt ein offenes nasses Rückkühlwerk VTL 116 L des Herstellers BAC zum Einsatz. Dieses wird so geregelt, daß es im Kälteteillastfall Kühlwasser von 28 °C und im Vollastfall von 25°C liefert.

Typen von Rückkühlwerken
Die bei Kältemaschinen anfallende Abwärme muß abgeführt werden. Quelle ist zum einen die Kälte, zum anderen die Antriebsenergie der Kältemaschine, also bei Kompressionskältemaschinen der Strom und bei Sorptionskältemaschinen die Heizwärme.
Die Rückkühlwärme fällt auf einem Temperaturniveau von unter 30°C an und ist nur selten sinnvoll verwendbar. Sorptionskältemaschinen werden stets mit Wasser rückgekühlt, bei Kompressionskältemaschinen erfolgt oft auch direkt die Verflüssigung des Kältemittels im Rückkühlwerk.
Für die Abfuhr sind mehrere Varianten möglich:

  • trockene Rückkühlwerke
  • nasse geschlossene Rückkühlwerke
  • nasse offene Rückkühlwerke

Nur selten werden noch andere Varianten eingesetzt:

  • Sprühteiche
  • Frischwasserkühlung
  • Bodenkühlung
Geschlossenes nasses Rückkühlwerk

Offenes nasses Rückkühlwerk

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Eisspeicher

Damit die für die Spitzenlastdeckung vorgesehene Kompressionskältemaschine nicht in der Hochtarifzeit läuft und dadurch die Leistungskosten erhöhen, wird ihr ein Eisspeicher zugeordnet.
Ein Eisspeicher ist ein druckloser wassergefüllter Bottich, durch den in vielen Leitungen Wasser mit Frostschutzmittel (Sole) fließt.

In den Nachtstunden wird er von der Kältemaschine mit Sole von -8°C beschickt. Das Wasser gefriert. Tagsüber wird er vom Kälteverbraucher mit Sole von +12 °C beschickt. Das Eis schmilzt, die Schmelzenthalpie wird aus der Sole entnommen, so daß sich diese auf +6°C abkühlt und erneut den Kälteverbrauchern zugeführt werden kann.   

Der Kamenzer Eisspeicher vor der Einbringung in das Gebäude
Eisspeicher mit demontierter Verteilung

Blick in den Eisspeicher

Einbindung eines Eisspeichers

Im Krankenhaus Kamenz ist ein Eisspeicher mit einer latenten Kältekapazität von 393 kWh installiert. Produzent war FAFCO. 
Umfangreiche Informationen zum Thema Eisspeicher finden sich auf den Internetseiten der Firma Calmac. Weitere wichtige Anbieter sind FAFCO und Baltimore Aircoil.

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Solarklima

Die solarthermische Klimatisierung - Grundprinzip
Der Einsatz von Solarenergie zur Klima-
tisierung hat gegenüber allen anderen Nutzungsmöglichkeiten den Vorteil ungefährer zeitlicher Identität von Strahlungsangebot und Bedarf. Im Bereich kleiner Leistungen ist die Kopplung von Photovoltaik und Kompressionskältemaschinen sinnvoll. Angesichts der hohen Kosten der Photovoltaik werden ab Leistungen von 50 kW thermische Kollektoren in Verbindung mit Sorptionsapparaten eingesetzt. 
Ein solar beheiztes Sorptionsklimatisierungssystem kann folgende Komponenten beinhalten: 

  • Kollektor
  • Wärmespeicher  
  • Sorptionsgerät
  • Kältespeicher  
  • Kälteverteilung
  • Nachheizung 

 

Solarthermiasche Klimatisierung - Grundprinzip
Je nach Auslegung müssen nicht alle Komponenten enthalten sein. Bei Installation eines sehr großen Kollektorfeldes und Inkaufnahme zeitweiligen Diskomforts kann auf die Nachheizung verzichtet werden. Alternativ zur Nachheizung als konventionelle Zusatzanlage ist auch eine Kompressionskältemaschine zur Nachkühlung installierbar.
Andererseits wird bei einem sehr kleinem Kollektorfeld kein Wärmespeicher benötigt. 
Die vom Kollektorfeld gelieferte Wärme kann nicht nur für die Klimatisierung im Sommer, sondern auch für das Heizen im Winter und die ganzjährige Warmwasserbereitung genutzt werden. Geheizt wird direkt durch das Kollektorfeld oder indirekt, indem die Kältemaschine als Wärmepumpe genutzt wird. Die Abwärme der Kältemaschine dient daneben der Vorwärmung des Brauchwassers. 

Sonnenkollektoren für die solare Klimatisierung
Für die Beheizung der Kälteerzeuger sind Temperaturen zwischen 65°C und 95 °C erforderlich - ein Temperaturniveau, das von konventionellen selektiv beschichteten Flachkollektoren nicht mehr mit einem befriedigenden Wirkungsgrad erbracht werden kann. Es müssen daher Kollektoren eingesetzt werden, deren Verluste geringer sind. Für die Erreichung dieses Ziels kommen neben der weiteren Verbesserung der selektiven Beschichtungen drei Hauptmaßnahmen in Frage: 

  • die Vakuumisolierung,
  • der Einsatz von transparenter Wärmedämmung und
  • die geometrische Konzentration.

Produkt  hopt k Preis Stand

%   W/m2K DM/m2 Serienprodukt
konv. Flachkollektor (als Vergleich) 83 3,7 450 Serienprodukt
Vakuumröhren 78 2,0 1000 Serienprodukt
Vakuumflachkollektor 85 2,7 700 Serienprodukt
Flachkollektor mit Kunststoff-TWD 71 1,7
Labormuster
Flachkollektor mit Glas-TWD 73 1,7 500 Prototyp
Flachkollektor mit Doppelstegabdeckung 71 2,7 350 Serienprodukt
CPC-Kollektor 71 3,3 560 Serienprodukt
Flachkollektor mit Zwischenfolie 75 2,7 700 Serienprodukt
Die besten Ergebnisse sind durch die Vakuumisolierung erreichbar. Der optische Wirkungsgrad verschlechtert sich nur wenig oder gar nicht, die thermischen Verluste sinken stark. Aufgrund der hohen Preise scheint ein wirtschaftlicher Einsatz aber kaum möglich. 
Transparente Wärmedämmung in Bienenwaben- oder Doppelstegstruktur sowie der Einsatz konvenktionsbremsender Folien sind kostengünstiger, führen aber zu einer Verringerung des optischen Wirkungsgrades. Zudem können die meisten Systeme durch die bei Stillstand des Kollektorkreises auftretenden hohen Temperaturen zerstört werden.
Eine Ausnahme stellt hierbei die TWD auf Glasröhrchenbasis dar.  Die geometrische Konzentration kann an-
gesichts hoher Diffusstrahlungsanteile und der Nichtverfügbarkeit preiswerter Nachführsysteme nur durch niedrigkonzentrierende CPC-Systeme erfolgen.

Kälteerzeuger für die solare Klimatisierung
Für die solarthermische Klimatisierung werden Sorptionsgeräte verwendet, die - thermodynamisch sehr unpräzise ausgedrückt - Wärme in Kälte umwandeln können. Das Grundprinzip wird z. B. auch im Campingkühlschrank angewendet.
Es stehen Absorptionsmaschinen, Adsorptionsmaschinen und DEC-Anlagen zur Auswahl.
Im Interesse einer guten Funktion des Kollektorfeldes müssen sie zwei Anforderungen erfüllen. Ihre Heiztemperatur sollte gering und das Kälteverhältnis, also der Quotient von Kälteleistung und Heizleistung, möglichst hoch sein. 


Absorption
Adsorption
Zwangsumlauf Naturumlauf AdKM DEC
Auslegungstemperatur
115 °C
95 °C
80 °C
70 °C
Temperaturbereich    
75 .. 130 °C
65 .. 100 °C
55 .. 80 °C
55 .. 75 °C
Kälteverhältnis 
0,6 .. 0,72
0,6 .. 0,78
0,5 .. 0,66
0,3 .. 1,2
kleinste Leistung
130 kW
35 kW
70 kW
2 kW
Die größte Bedeutung hat gegenwärtig die Absorptionskältemaschine. Als Kältemittel wird vorwiegend Wasser in Kombination mit dem Sorptionsmittel Lithiumbromidlösung eingesetzt. 
Diese Maschinen sind seit langem Stand der Technik, wobei ihre Kosten etwa denen vergleichbarer Kompressionskältemaschinen renommierter Hersteller entsprechen. 
Das Auslegungstemperaturniveau beträgt 115 °C - eine Temperatur, die von Solaranlagen kaum bereitzustellen ist. Um geringere Temperaturen nutzen zu können, muß die Kältemaschine überdimensioniert werden, was die Kosten erhöht. 
Im kleineren Leistungsbereich gibt es auch Absorptionsmaschinen mit Lösungsmittel im Naturumlauf, die speziell für den Temperaturbereich zwischen 80 °C und 95 °C ausgelegt sind.


Adsorptionskältemaschinen (AdKM) mit dem Stoffpaar Wasser/Silicagel arbeiten mit besonders niedrigen Heiztemperaturen ab 65 °C. Sie weisen ein mittleres Kälteverhältnis auf und sind teuer. Bei beginnender Massen-
produktion ist mit einer Kostensenkung unter das Niveau der anderen Kältemaschinen zu rechnen.

Eine Sonderstellung nehmen Anlagen des  "desiccant and evaporative cooling" (DEC) ein. Es handelt sich um eine Kombination von adiabater Kühlung und sorptiver Lufttrocknung. 
DEC-Anlagen beinhalten folglich Klimagerät und Kälteerzeugung in einem System, weshalb häufig von Klimatisierung ohne Kältemaschine" gesprochen wird.  DEC-Anlagen sind sehr groß, aber relativ preiswert. Sie erfordern nur geringe Heiztemperaturen und sind daher gut für die Klimatisierung mit Solarenergie geeignet. 
Die Definition eines Kälteverhältnisses ist schwierig. Es muß festgelegt werden, mit welcher konventionellen Klimaanlage verglichen wird. Je nach Vergleichsmaßstab werden Kälteverhältnisse zwischen 0,3 und 1,2 berechnet.


Kälteverteilung bei solarthermischer Klimatisierung

Je niedriger die Kältetemperatur ist, desto höher muß die Heiztemperatur der Kältemaschine sein und desto niedriger ist der Kollektorwirkungsgrad. Am günstigsten sind Kühldecken, die im Gegensatz zu luftgebundenen Klimaanlagen nicht mit Vorlauftemperaturen zwischen 5 °C und 9 °C sondern zwischen 15 °C und 18 °C arbeiten.
Kühldecken schaffen daneben ein besonders behagliches Temperaturfeld. Sie können allerdings nur kühlen, nicht entfeuchten.
Ob eine zusätzliche Entfeuchtung installiert werden muß, hängt von den klimatischen Bedingungen, den Feuchtelasten und den Komfortansprüchen ab. 
Als technisches System bieten sich hierfür abgerüstete DEC-Anlagen an, die eine besonders niedrige Zuluftfeuchte bereitstellen können.
 
Rückkühlung bei der solaren Klimatisierung
Rückkühlanlagen haben die Aufgabe, die in einer Kältemaschine freiwerdende Wärme abzuführen. Diese Aufgabe ist bei Sorptionskältemaschinen aus zwei Gründen besonders schwierig:

  1. Da zur Kältemenge noch die wesentlich größere Heizwärmemenge hinzu kommt, ist die Rückkühlwärme 70 .. 120 % größer als beim Einsatz von Kompressionskältemaschinen.
  2. Da Sorptionskältemaschinen nur einen sehr begrenzten Temperaturhub aufweisen sowie Leistung und Kälteverhältnis bei steigender Rückkühltemperatur zurückgehen, muß eine möglichst niedrige Kühlwassertemperatur bereitgestellt werden.  

Rückkühlanlagen kann man in Systeme der Luftkühlung, der Wasserkühlung und der Bodenkühlung einteilen. 

Systeme der Luftkühlung können aufgrund der Temperatursituation bei solaren Klimaanlagen nur in Kombination mit der Verdunstung von Wasser eingesetzt werden. Sie stellen die in Mitteleuropa übliche Variante dar. 
Da ihr Wasserbedarf relativ hoch ist, muß man in wärmeren Ländern mit Einschränkungen rechnen. Gegenwärtig sind die Wasserpreise im südlichen EU-Raum noch niedrig - aufgrund der Wasserknappheit muss man aber mit Kostensteigerungen rechnen. Die Wasserqualität ist bereits jetzt relativ schlecht. 
In tropischen Ländern kommt es zu Problemen mit der hohen Luftfeuchtigkeit, da der Verdunstungseffekt nicht mehr im ausreichendem Maße gegeben ist. 

Anstelle der Luftkühlung mit Verdunstung kann man direkt mit Wasser kühlen, wobei in der Regel nur Salzwasser genutzt werden kann. 

Die alternativ oder additiv einsetzbare Bodenkühlung erfolgt durch Erdkollektoren oder Erdsonden. Es sind relativ niedrige Temperaturen möglich, was den Kältemaschinen entgegen kommt. 
Hinzu kommen relativ hohe Temperaturen im Winter, wodurch die Kältemaschine als Heizwärmepumpe nutzbar wird.
Die Bodenkühlung ist deutlich teurer als die anderen Varianten der Rückkühlung. 
Bei DEC-Anlagen sind die Rückkühlprobleme in anderer Weise gegeben. Sie benötigen ebenfalls Wasser, wobei erschwerend hinzu kommt, daß dieses Wasser den lufthygienischen Erfordernissen entsprechen muss. 

Beipielanlagen der solaren Klimatisierung

Die solare Klimatisierung wurde bisher vor allem in Deutschland und in Spanien realisiert. 
Die in der Tabelle aufgeführten Anlagen mit Kältemaschinen befinden sich in Bürogebäuden, wobei die Kälteverteilung über Kühldecken erfolgt.

solarthermische Klimatisierung - Beispiel
Außenansicht der Dresdener Anlage, das oberste Fassadenband sind die Kollektoren

Objekt Sorptionsgerät Qnenn in kW Wärmequelle Kollektor
haupt- neben- Art A/m2 Richtung
Verwaltung Fa. Wolfferts Köln Absorptionsmaschine York 92 Solarenergie Erdgas Vakuum-
röhren
176 horizontal
Verwaltung Fa. Götz Würzburg Adsorptionsmaschine NAK 70 BHKW Solarenergie Flachkol-
lektoren
60 nachgeführt
Bürogebäude "An der Loge" Dresden Adsorptionsmaschine NAK 70 Fernwärme Solarenergie Flachkol-
lektoren
150 Fassade
ILK Dresden  DEC-Anlage 18 Solarenergie Wärmepumpe CPC-Kollektoren 18 Süddach

Die solarthermische Klimatisierung - Kosten
Aufgrund des geringen Klimakältebedarfs und der schlechten Einstrahlungsverhältnisse können Anlagen der solaren Klimatisierung in Deutschland nicht wirtschaftlich betrieben werden. In südlicheren Ländern, zum Beipiel in Spanien, ist die Situation sehr viel günstiger.
Im Folgenden wird die Klimakälteerzeug-
ung mittels elektrisch betriebener Kompressionskältemaschine und einer solar beheizten Adsorptionskältemaschine verglichen. Die Kostenbilanzierung erfolgt mit dem Annuitätenverfahren. Es wird von folgenden Voraussetzungen ausgegangen: 

Kältebedarf:  350 kW
Vollbenutzung:  1600 h/a
Strompreis:  200 DM/m3
Frischwasser:  2 DM/m3
Flüssiggas:  80 DM/MWh
Kollektorfläche:  1200 m2

Daraus und aus weiteren Annahmen leitet sich folgende Kostenbilanz ab:  

Variante  KKM elektr. AdKM solar
Kältemaschine 80 TDM 280 TDM
Kühlwerk 30 TDM 40 TDM
Peripherie 240 TDM 180 TDM
Solaranlage 0 TDM 550 TDM
Investition gesamt    350 TDM 1050 TDM
mittl. Annuität 11 %/a 9 %/a
Kapitalkosten 39 TDM/a 94 TDM/a
Wartung  12 TDM/a 8 TDM/a
Strom 220 MWh/a
44 TDM/a
40 MWh/a
8 TDM/a
Wasser 1750 m3/a
4 TDM/a
3400 m3/a
7 TDM/a
Gutschrift Hzw. 0 MWh/a
0 TDM/a
250 MWh/a
20 TDM/a
Gesamtkosten 99 TDM/a 97 TDM/a

Es musste berücksichtigt werden, dass die Solaranlage im Winter ebenfalls Wärme liefert. Diese wird im Beispiel für die Heizung und Warmwasserbereitung genutzt, für die ohne Solaranlage Flüssiggas eingesetzt würde. 
Die beiden Varianten sind kostenseitig ungefähr gleichwertig. Unter Berücksichtigung der Umweltvorteile der solaren Variante angesichts von CO2- freier Energiebereitstellung und FCKW- freier Kälteerzeugung ist die solare Klimatisierung sicher zu bevorzugen. 

Die Berechnung ist hinsichtlich zweier Punkte kritisch zu werten: 

  • Den größten Investitionsbestandteil stellt die Solaranlage dar. Es ist gegenwärtig nicht zu beurteilen, ob eine 1200 m2 große Solaranlage in Spanien für 550 TDM errichtet werden kann.  
  • Der zweite fragliche Punkt betrifft die Einstrahlungsverhältnisse. Spanien hat nicht am Programm zur Erstellung der europäischen Testreferenzjahre teilgenommen. Das Testreferenzjahr Cagliari (Sardinien) beinhaltet eine Globalstrahlung von 1750 kWh/m2a, mit dem sich ungefähr die der Tabelle zugrundeliegenden Energiebilanzen verwirklichen lassen. In spanischen Quellen wird jedoch für die auf gleicher Breite liegenden Balearen von weniger als 1500 kWh/m2a ausgegangen. 
      


Solarthermische Klimatisierung  - Ausblick -

Für die Zukunft stehen drei Aufgaben an: 

  1. weitere Vermessung der bestehenden Anlagen  
  2. Weiterentwicklung der Kollektoren und Sorptionskältemaschinen, insbesondere für kleine Leistungen 
  3. Bau von Demonstrationsanlagen in Südeuropa

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Kühldecken

Die reine luftgebundene Kälteverteilung hat eine Reihe von Nachteilen: 

  • große Volumenströme: 
        => Umlufterfordernis 
        =>  Zugprobleme 
        =>  große Kanäle 
        =>  hoher Ventilatorstrombedarf 
  • Der gesamte Kältebedarf fällt auf einem relativ niedrigem Temperaturniveau an: 
       =>  schlechte Leistungszahlen bzw.  Kälteverhältnisse der Kältemaschinen 
       =>  bestimmte Sorptionsmaschinentypen kaum noch einsetzbar 

Diese Probleme können durch die Installation von Kühldecken wesentlich entschärft werden. Die Kühldecken ermöglichen in der Regel die Abfuhr der sensiblen Lasten, während die Lüftungsanlage die Lüftung und Entfeuchtung übernimmt. Die Kühldecken tragen damit den Hauptteil der Klimatisierungsaufgabe und dies vor allem bei einem wesentlich höheren Niveau der Kaltwassertemperatur, während die Lüfungsanlage bei deutlich kleineren Volumenströmen und geringerem Energieverbrauch arbeitet.  

Ansicht einer Kapillarrohrmatte
Ansicht einer Kapillarrohrmatte
Hydraulische Einbindung Kühldecke
Hydraulische Einbindung Kühldecke

Eine Kühldecke besteht aus teilweise durchströmten Elementen, die an oder unterhalb der Geschoßdecke befestigt werden. 
In Krankenhäusern ist die Installation von Kühldecken bisher noch unüblich. In Kamenz wurde probeweise eine kleinere Fläche von etwa 120 m2 installiert. E handelt sich hierbei um Kunststoff-Kapillarrohrmatten, die direkt auf die abgehängte Gipskartondecke gelegt sind. 
Die Kühldeckenanlage ist nicht mit Messtechnik ausgestattet.


Klimatechnik

Die Kälte wird vorrangig in konventionellen Klimageräten genutzt. Die Luft wird zentral voraufbereitet (Filterung, Wärmrückgewinnung und Vorwärmung [16 °C]) und in Einzelgeräten weiter behandelt. Es handelt sich hierbei um Vollklimaanlagen. Die Befeuchtung erfolgt mit Dampf.
Foto eines Klimageräts
Es gibt folgende Klimageräte:
Anwendung  Zuluft in m3/h Frischluft Umluft
asept. OP 1 6100 x x
asept. OP 2 6100 x x
Knochen - OP 6100 x x
Funktionsdiagnostik 8310 x -
Intensivpflege 5790 x -
Entbindungsstation 2200 x -
Sonstiges 4360 x -
Lüftungsdecken in OP's
Im Krankenhaus Kamenz kommt in den OP eine Verdrängungslüftung zum Einsatz. Hierbei wird über dem Operationstisch eine Lüftungsdecke großer Fläche installiert, aus der eine gleichmässige Luftströmung geringer Strömungsgeschwindigkeit austritt. Hierbei wird die Luft mit einer Temperatur zugeführt, die etwa 2 Kelvin unter der Raumtemperatur liegt.
Das Bild zeigt eine offene Lüftungsdecke, einen Medienträger sowie das umlaufende Beleuchtungsband.
Lüftungsdecke in einem OP

Last modified: 22.07.2008 11:29
Author: Regina Rothmann

Contact

Leader
Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann

Secretary
Petra Dittrich
Tel.: +49 351 463-32145
Fax: +49 351 463-37076
ensys@mailbox.tu-dresden.de

Office:
Merkel-Bau (MER)
Zi. 217
Helmholtzstr. 14

Mail to:
Technische Universität Dresden
Institut für Energietechnik
Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung
01062 Dresden

Bulk mail to:
Technische Universität Dresden
Institut für Energietechnik
Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung
Helmholtzstaße 10
01069 Dresden