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Neue Generation kompakter Kältemaschinen
Projektinfo 07/2012

Marktverfügbare Absorptionskältemaschinen sind schwerer und voluminöser als die neuen Baumuster
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Biene und Hummel im Vergleich
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Mit Wärme kühlen

Der ökonomische und ökologische Erfolg vieler Kraft-Wärme-Anlagen, Fernwärmenetze und großer Solaranlagen steht und fällt mit dem Absatz der Wärme außerhalb der Heizperiode. Ein zunehmend interessanter Markt für Niedertemperaturwärme ist die Kühlung und Klimatisierung von Gebäuden sowie die Erzeugung von Prozesskälte mit thermisch angetriebenen Kältemaschinen. Wissenschaftler aus Berlin und Bayern haben eine neue Generation besonders kompakter, effizienter Absorptionskältemaschinen kleiner Leistung für den Kühl- und Heizbetrieb entwickelt.

„Absorptionskälteanlagen sind nicht kleinzukriegen“. Mit dieser doppeldeutigen Aussage beschreiben Klimatechniker zum einen die Robustheit, aber auch die oft ausladenden Dimensionen der Aggregate. Hierdurch ist eine nachträgliche Installation in Kellern oft nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich. Zudem sind die meisten der im Handel erhältlichen Absorptionskältemaschinen auf hohe Leistungsbereiche ab etwa 300 kW ausgelegt – zu groß für den dezentralen Einsatz in vielen Gebäuden.

In einem Forschungsprojekt der Technischen Universität Berlin in Kooperation mit der Vattenfall Europe Wärme AG haben Wissenschaftler der Universität gemeinsam mit dem ZAE Bayern und weiteren Partnern aus Forschung und Industrie das Leistungsspektrum nach unten erweitert. Im Fokus standen neben Gewicht und Abmessungen auch der Abbau weiterer Hemmnisse für den Einsatz von Absorptionskältemaschinen. So sind heute verfügbare Systeme vergleichsweise teuer und stellen hohe Anforderungen an die Rückkühlung. Verbessern wollten die Forscher auch die Temperaturspreizung der Antriebswärme. In vielen Kältemaschinen, die Fernwärme nutzen, kühlt der Wärmeträger um lediglich etwa 10 °C ab. Ein Großteil nutzbarer Wärme auf sehr gut nutzbarem Temperaturniveau zirkuliert somit unnötig und erfordert zudem hohe Pumpleistung.

Biene und Hummel – zwei Musteranlagen

Eine 50 kW Anlage, von den Forschern „Biene“ genannt, hat mittlerweile umfangreiche Tests bestanden und anschließende Optimierungsarbeiten durchlaufen. Zwei dieser Anlagen befinden sich seit Mitte 2011 in der praktischen Gebäudeerprobung. Aufbauend auf den Erfahrungen mit Biene entstand in Folge die größere „Hummel“ mit 160 kW Kälteleistung. Auch sie hat bereits erste Tests durchlaufen und erfüllt mit 168 kW im Nennbetriebspunkt die Anforderungen.

Die einstufigen Absorptionskälteanlagen (AKA) arbeiten mit Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid als Absorbens. Bei dieser Stoffpaarung reichen Antriebstemperaturen, wie sie von Fernwärmesystemen und Solaranlagen angeboten werden. Es lassen sich Kaltwasser-Temperaturen bis etwa 5 °C erzeugen. Die Kältemaschinen können bei geeigneter Einbindung in das Heizsystem auch als Wärmepumpe für die Gebäudeheizung arbeiten. Anders als die meisten bisher marktverfügbaren AKA sind Biene und Hummel modular als Zweibehältersysteme aufgebaut. Bei schwierigen Transportwegen können sie zerlegt transportiert und vor Ort zusammengesetzt werden. „Wir haben aber nicht alleine die Türgängigkeit und ein niedriges Transportgewicht angestrebt“, erläutert Projektleiter Stefan Petersen, „Entwicklungsziele sind auch möglichst niedrige Investitions- und Betriebskosten bei hoher Systemeffizienz.“

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Auf dem Teststand

Von Ostern 2010 bis Ende 2011 leistete ein erstes Funktionsmuster der 50 kW Anlage ca. 8.000 Betriebsstunden auf dem Teststand der TU Berlin. Die Kältemaschine kann über einen Temperaturbereich von 55 °C bis über 100 °C mit stark variierenden Volumenströmen betrieben werden. Dies ist von besonderer Bedeutung für den Einsatz in Fernwärmenetzen. Zum einen geben unterschiedliche Fernwärmenetze konkrete Randbedingungen bezüglich Temperaturniveau und verfügbarem Volumenstrom vor. Diese werden von der Anlage allesamt erreicht. Zum anderen kann eine Volumenstromminderung bei Teillast die Rücklauftemperatur ins Fernwärmenetz optimieren.

Mit bisher marktverfügbaren Systemen erfolgt die Leistungsregelung über die Variation der Eintrittstemperatur des Antriebs. Die neuen Anlagen erlauben zusätzlich 3 weitere Optionen. Reduziert man beispielsweise den Volumenstrom der Fernwärme von 0,9 l/s auf 0,6 l/s, so mindert sich über den gesamten Lastbereich die Kälteleistung um lediglich 10%. Die Spreizung der Antriebstemperatur erhöht sich aber um 35%. Mit variablem Volumenstrom kann das gesamte Leistungsband zwischen 50 und 10 kW bei konstanter Temperaturspreizung angefahren werden. So erschließt sich ein neues Potenzial vor allem in der Kopplung zwischen Motor-BHKW und Absorptionskälteanlage. Im solaren Betrieb kann die Kälteanlage auch bei niedriger Einstrahlung über die Volumenstromvariation in Betrieb gehalten und dadurch die solare Deckung vergrößert werden. Die beiden anderen Optionen berücksichtigen die Regelung der Kühlwassertemperatur und des Volumenstroms. Dies dient vor allem der Reduzierung der Nebenstromverbräuche.

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Adressen

Projektleitung
TU Berlin, IET

Wissenschaftliche Begleitung
ZAE Bayern - Würzburg

Service

BINE-Projektinfo 07/2012
(PDF, 4 Seiten, 1,1 MB)

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