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Themeninfos  – Energieforschung kompakt

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Solarthermische Kühlung von Kühlhäusern in Umkirch bei Freiburg.
© Kramer GmbH
Solare Klimatisierung von Gebäuden
Themeninfo III/2016
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Mit solarer Wärme kühlen

Das Kühlen oder Klimatisieren von Gebäuden mit solarer Wärme hat einen besonderen Charme, denn Wärmebedarf und Wärmeangebot stehen meist im Einklang. Auch Kühllager in südlichen Klimazonen und viele Prozesskälteanlagen benötigen besonders viel Energie, wenn die Sonne intensiv scheint. Der Einsatz von solaren Kälteanlagen anstelle von elektrischen Kältemaschinen entlastet zudem das Stromnetz, gerade zu Spitzenlastzeiten. Solarthermische Kälteerzeugung könnte Absatzmärkte beispielsweise in der Mittelmeerregion erschließen aber auch zu einem kleinen Mosaikstein der Energiewende werden. Dem trägt die Forschungsförderung des Bundes Rechnung.

Technologisch haben sich deutsche Forschungseinrichtungen und die kleinen und mittelständischen Firmen durch intensive Forschung eine international führende Stellung erarbeitet. Aber die junge Branche befindet sich in einem doppelten Wettbewerb: Zum einen drängen aus der Kältebranche bekannte Anbieter, insbesondere aus Asien, auf die internationalen Märkte. Zum anderen erwächst auch technologisch eine neue Konkurrenz – denn mit den stark gesunkenen Preisen für Photovoltaik werden auch solarelektrische Systeme mit Kompressionskältemaschinen immer attraktiver.

Der Großteil der Wissenschaftler sieht jedoch Platz für beide Technologien. Allein in Europa wird sich der Kühlbedarf, laut einem Bericht für die EU-Kommission, zwischen 1990 und 2020 vervierfachen. Ein Vorteil der solarthermischen Systeme liege darin, dass sie flexibel auch mit anderen Wärmequellen kombinierbar sind. So könne auch industrielle Abwärme oder Energie aus der Kraft-Wärme-Kopplung genutzt werden. Die solare Kühlung benötigt im Vergleich zu konventioneller Kühltechnik hohe Anfangsinvestitionen, weist dann aber niedrigere Betriebskosten auf. Sie eignet sich daher insbesondere, wenn der Kühlbedarf, die Solarstrahlung und die Strompreise am Einsatzort hoch sind. Forschungsbedarf besteht bei den Komponenten, aber auch bei der Systemtechnik. Wir stellen im Folgenden die verschiedenen offenen und geschlossenen Verfahren vor und geben einen Einblick in die Forschung.

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Sonnenwärme ersetzt Netzstrom

Auch in gemäßigten Klimazonen müssen zahlreiche Gebäude klimatisiert werden. In Kongresszentren, Theatern, Warenhäusern oder Hochhäusern können meist nur raumlufttechnische Anlagen ein behagliches Raumklima garantieren. Solare Verfahren können den Strombedarf gerade zu Spitzenlastzeiten senken.

Viele Länder in sonnenreichen Gegenden leiden unter einer hohen Belastung des Stromnetzes zur Bewältigung von Kühl- und Klimatisierungsaufgaben. In einigen Mittelmeerstaaten wird im Sommer mehr als die Hälfte des insgesamt produzierten Stroms zur Gebäudeklimatisierung eingesetzt. Auch eine deutliche Anhebung der Gebäudestandards würde kurzzeitig daran nichts ändern. Die Nutzung von Solarenergie zur Kühlung und Klimatisierung ist naheliegend, da eine hohe Korrelation zwischen Sonneneinstrahlung, Umgebungswärme und Kühlbedarf besteht. Solare Kühlung kann den Elektroenergieeinsatz zur Kühlung und Klimatisierung wirksam verringern und damit in sonnenreichen Ländern der wachsenden Belastung der Stromnetze entgegenwirken. Weniger eindeutig ist die Situation für mitteleuropäische Klimazonen.

Weniger als 5 Prozent der gesamten Endenergie Strom wird in Deutschland für die Gebäudeklimatisierung eingesetzt. Einen erheblich größeren Bedarf erfordert die Kühlung in der Nahrungsmittelerzeugung und -lagerung sowie die Industriekälteerzeugung. Bei diesen Einsatzgebieten ist der Kältebedarf nicht in gleicher Weise temperatur- und einstrahlungsabhängig. Aber auch in Deutschland ist von einem steigenden Bedarf an Komfortklimatisierung auszugehen, auch wenn die Anzahl der Volllaststunden im Jahr in vielen Anwendungen gering sein wird.

Unter solarer Kühlung und Klimatisierung versteht man einen Prozess, in dem Solarenergie direkt einen Kühl oder Klimatisierungsprozess mit Energie beliefert. Es besteht also eine direkte Zuordnung zwischen solarer Energie und dem Kühlprozess.

Grundsätzlich bieten sich drei verschiedene Pfade an, um Kälte mit solarer Energie zu erzeugen:

  • Die photovoltaische Produktion von Strom und die anschließende Nutzung in Kompressionskältesystemen,
  • thermomechanische Systeme (Vuilleumier- und Rankine-Prozesse),
  • solarthermische Systeme (Sorptionsgestützte Kälteerzeugung (SGK bzw. DEC), Absorptionskälteprozess, Adsorptionskälteprozess, Dampfstrahlkälteprozess).

Dieses Themeninfo fokussiert auf solarthermische Anlagen. Hier unterscheidet man zwischen geschlossenen und offenen Verfahren. Geschlossene Verfahren stellen mit Ab- oder Adsorptionskälteanlagen Kaltwasser bereit, das beispielsweise in Kühldecken genutzt wird. Offene Sorptionsverfahren konditionieren hingegen die Zuluft. Dabei senken sie nicht nur die Temperatur, sondern sorgen auch für eine angenehme Raumluftfeuchte.

In beiden Fällen müssen die Anlagentechnik und das Kollektorsystem aufeinander abgestimmt sein hinsichtlich Größe, Eignung und Steuerung der Komponenten. Im Idealfall wird die solare Wärme für weitere Aufgaben verwendet, z. B. zur Brauchwassererwärmung oder Heizungsunterstützung. Die Vorteile solarthermisch betriebener Kühl- und Klimatisierungstechniken sind:

  • Sie entlasten das Stromnetz, da sie nur wenig Strom verbrauchen.
  • Die Kältemittel (z. B. Wasser) haben kein Treibhausgaspotenzial.
  • Sie werden meistens mit Temperaturen unter 100 °C betrieben und eignen sich daher für stationäre Kollektortechnik.
  • Sie können mit Abwärmenutzung kombiniert werden.
  • Sie sind geräusch- und vibrationsarm.

Merkzettel

Adressen

Projekte EVASOLK, Solarthermie 2000plus, ECOS, AgroKühl
Fraunhofer ISE

Service

BINE-Themeninfo III/2016
(PDF, 24 Seiten, 2,8 MB)

Autoren

Dr. Alexander Morgenstern
Edo Wiemken
Fraunhofer ISE

Dr. Mathias Safarik
ILK Dresden

Peter Zachmeier
ZAE Bayern

Links

Projektberichte
zu EVASOLK, Solarthermie 2000plus, ECOS, AgroKühl

IEA SHC Task 48
Quality Assurance and Support Measures for Solar Cooling Systems

Green Chiller
Verband für Sorptionskälte e.V.

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu den Projekten

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