0325966ABC EVASOLK-Schlussbericht Oeffentlich 13August2013

Evaluierung der Chancen und Grenzen von solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien

Schlussbericht – öffentlicher Teil

Zuwendungsempfänger: Förderkennzeichen:

Fraunhofer ISE (Koordination) Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme Heidenhofstraße 2

79110 Freiburg

ILK Dresden Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH Bertolt-Brecht-Allee 20

01309 Dresden

ZAE Bayern Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Walther-Meissner-Straße 6 85748 Garching

0325966A

0325966B

0325966C

Vorhabenbezeichnung:

EvaSolK: Evaluierung der Chancen und Grenzen von solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien

Laufzeit des Vorhabens:

01.06.2010 bis 31.12.2012

Autoren:

Edo Wiemken, Dipl.-Phys.

Dr. Mathias Safarik, Dipl.-Ing. (FH)

Peter Zachmeier, Dipl.-Ing. (FH)

Kilian Hagel, Dipl.-Ing. (FH)

Sebastian Wittig, Dipl.-Ing.

Prof. Dr. Christian Schweigler, Dipl.-Phys.

Björn Nienborg, Dipl.-Ing. (FH), M.Sc.

Anna R. Petry Elias, Dipl.-Wirt.-Ing (FH)

Gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenztechnologien

FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 2

13. August 2013


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 3

Inhaltsverzeichnis

1 Aufgabenstellung ............................................................................................................................................................. 5

2 Zusammenfassung ........................................................................................................................................................... 7

3 Referenztechnologie .................................................................................................................................................... 10

3.1 Vermessung bestehender Anlagen 10

3.2 Vermessungen ILK Dresden 11 3.2.1 Beschreibung der Kältesysteme ................................................................................................................................... 11 3.2.2 Messmethode ........................................................................................................................................................................ 13 3.2.3 Ergebnisse .............................................................................................................................................................................. 16 3.2.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerung ................................................................................................................ 23

3.3 Vermessungen ZAE Bayern 24 3.3.1 Kaltwassersatz zur Versorgung einer Flächenkühlung ..................................................................................... 24 3.3.2 Kaltwassersatz zur Versorgung einer Umluftkühlung ....................................................................................... 30 3.3.3 Mono-Split-Gerät „Markenanbieter“ .......................................................................................................................... 37 3.3.4 Kühlzelle zur Lebensmittelkühlung ............................................................................................................................ 43 3.3.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung ................................................................................................................ 49

3.4 Prognose Kältetechnik – Expertenumfrage 50

4 Analyse solarthermische Kühlung .......................................................................................................................... 55

4.1 Marktübersicht und technische Analyse von Absorptions- und Adsorptionskälteanlagen kleiner Leistung 55

4.2 Praxisdaten Absorption / Adsorption 55

4.3 Entwicklungspotenzial Apparatetechnik 56

4.4 Entwicklungspotenzial Systemtechnik 56

5 Vergleichsstudie Solare Kühlung in Gebäuden .................................................................................................. 57

5.1 Vorbemerkungen 57

5.2 Methodischer Ansatz 59 5.2.1 Standorte ................................................................................................................................................................................ 59 5.2.2 Anwendungen ....................................................................................................................................................................... 61 5.2.3 Systemkonfigurationen .................................................................................................................................................... 64 5.2.4 Modellierung und Simulation ........................................................................................................................................ 66 5.2.5 Referenz + PV ........................................................................................................................................................................ 67 5.2.6 Bewertungsgrößen ............................................................................................................................................................. 68 5.2.7 Kosten und Preise ............................................................................................................................................................... 76

5.3 Ergebnisse 78 5.3.1 Standardkonfigurationen ................................................................................................................................................ 78 5.3.2 Andere Konfigurationen .................................................................................................................................................. 89 5.3.3 Abschätzungen zu optimierter TKM-Technik ........................................................................................................ 93 5.3.4 Alternative Kostenbeurteilung ..................................................................................................................................... 95 5.3.5 Veränderungen im Netzaustausch .............................................................................................................................. 97 5.3.6 Sensitivität .......................................................................................................................................................................... 100

5.4 Zusammenfassung Vergleichsstudie Solare Kühlung in Gebäuden 104


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 4

6 Solare Prozesskühlung .............................................................................................................................................. 108

6.1 Technische Analyse und Anwendungsbeispiele 108

6.2 Anlagenverfügbarkeit 113

6.3 Erarbeitung und Vergleich beispielhafter Systemkonfigurationen 115 6.3.1 Anforderungen .................................................................................................................................................................. 115 6.3.2 Solarthermische Kälteerzeugung .............................................................................................................................. 115 6.3.3 Kompressions-Absorptions-Kaskade...................................................................................................................... 116 6.3.4 Absorptionskälteanlage mit Kompressionskälte-Backup .............................................................................. 117 6.3.5 Solarelektrische Kälteerzeugung .............................................................................................................................. 118

6.4 Simulationsrechnungen und -modelle 118 6.4.1 Randbedingungen und Systemauswahl ................................................................................................................. 118 6.4.2 Netzgekoppeltes Kompressionskältesystem (Referenz) ............................................................................... 119 6.4.3 PV-unterstütztes Kompressionskältesystem ...................................................................................................... 120 6.4.4 Solarthermische Kühlung ............................................................................................................................................. 121

6.5 Ergebnisse 123 6.5.1 Netzgekoppeltes Kompressionskältesystem (Referenz) ............................................................................... 123 6.5.2 PV-unterstütztes Kompressionskältesystem ...................................................................................................... 123 6.5.3 Solarthermische Kühlung mit netzelektrischem Kompressions-Backup ............................................... 125

7 Veröffentlichungen ..................................................................................................................................................... 128

8 Literatur ......................................................................................................................................................................... 129

Anhänge ................................................................................................................................................................................... 132

Anhang A5.1 – Nomenklatur 133

Anhang A5.2 – Standorte (solare Kühlung in Gebäuden) 134

Anhang A5.3 – Anwendungen (solare Kühlung in Gebäuden) 136

Anhang A5.4 – Konfigurationen (solare Kühlung in Gebäuden) 141

Anhang A5.5 – Virtuelle Messstellen (solare Kühlung in Gebäuden) 143

Anhang A5.6 – Komponentenbeschreibung 144

Anhang A5.7 – Energiepreise, Wandlungsfaktoren 153

Anhang A5.8 – Solarthermische Kühlung in Kältenetzen 154


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 5

1 Aufgabenstellung

Aufgrund einer hohen zeitlichen Korrelation von Solarstrahlung und Kühlbedarf scheint solare

betriebene Kühlung ein interessanter Weg zu sein, um Kälte aus erneuerbaren Energien zu erzeu-

gen. Entwicklungen und Forschungen zu diesem Thema werden im Allgemeinen unter dem Begriff

„Solare Kühlung“ geführt. Obwohl der Begriff lediglich Kühlung und Solarenergie miteinander ver-

knüpft, impliziert der Begriff bis dato im Allgemeinen solarthermische Kühlung. Dabei wird Solar-

energie als Wärme genutzt und dient als Antrieb für eine thermisch betriebene Kältemaschine. Wird

Solarenergie mittels Photovoltaikmodulen in elektrische Energie umgewandelt die ihrerseits eine

Kompressionskältemaschine antreibt, so liegt auch eine solare Kühlung vor. Der Konversionspfad

über elektrische Energie wurde bislang aber kaum beschritten oder beforscht, da Kosten für PV-

Strom noch vor 10 Jahren über dem 2 - 3fachen der privaten Endkundenpreise lagen. Somit er-

schien der Weg, Solarenergie in Strom und anschließend Kälte umzuwandeln, zu kostenintensiv und

somit zu wenig Erfolg versprechend.

Seit einigen Jahren, insbesondere seit Einführung des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes in Deutsch-

land im Jahr 2000, hat sich die Photovoltaik zum Massenmarkt entwickelt und die Kosten konnten

stark gesenkt werden. Inzwischen liegt der Preis für die Einspeisung von elektrischer Energie aus

Photovoltaik unter dem Bezugspreis für Haushaltskunden. Somit erscheint die Idee, Solarenergie

über den Konversionspfad der elektrischen Energie zur Kühlung zu nutzen, inzwischen als potenzi-

ell interessant.

Obwohl in der Vergangenheit bereits einige öffentlich geförderte Projekte zum Thema Solare Küh-

lung (thermisch) durchgeführt wurden, konnte sich diese Art der Kühlung noch nicht als relevante

Größe am Markt etablieren. Allerdings wurden im Rahmen dieser Projekte bereits Erfahrungen

gesammelt, wie solarthermische Kühlungen aufgebaut werden können, welche Besonderheiten zu

beachten sind und in welchen Punkten noch Optimierungsbedarf besteht.

Ziel des Projektes EvaSolK (Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Ver-

gleich zu Referenztechnologien) ist es, das Potenzial von solarer Kühlung bezüglich Primärenergie-

einsparungen und CO2-Emissionsvermeidungen im Vergleich zu Referenztechnologien zu ermitteln

und aussichtsreiche Anwendungen unter Einbeziehung von Kostenabschätzungen darzustellen.

Die inhaltliche Gliederung des Projektes ist in Abbildung 1.1 gezeigt. Arbeitsschwerpunkte bilden

dabei das Monitoring zu konventioneller Kältetechnik und die Durchführung der Vergleichsstudien

zur Solaren Kühlung. Im Monitoring wurden acht unterschiedliche Anlagen der konventionellen

Kühl- und Kältetechnik messtechnisch begleitet, um einen stichprobenartigen Überblick über Be-

trieb und Leistung der Referenztechnik zu erhalten. Die Ergebnisse sind sowohl für die Durchfüh-

rung der Vergleichsstudien im Projekt als auch für projektübergeordnete Abschätzungen zur Leis-

tungsfähigkeit der gegenwärtigen Kältetechnik von Bedeutung.

In den Vergleichsstudien wurden zahlreiche Modellrechnungen zu unterschiedlichen Anwendungen

und mit unterschiedlichen Anlagenkonfigurationen durchgeführt, um Vor- und Nachteile der unter-

schiedlichen Optionen für eine solar unterstützte Kühlung darzustellen. Aus Aufwandsgründen

beschränkt sich der untersuchte Anwendungsbereich in EVASOLK auf geschlossene Systemtechni-

ken; Anlagen mit luftgestützter offener Klimatisierung (z.B. offene sorptionsgestützte Klimatisie-

rung mit solarer Wärme) sind nicht Gegenstand der Untersuchungen.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 6

Referenztechnik

Monitoringkonventionelle

Kühlung

PrognoseKältetechnik

Solare Kühlung

Analysesolarthermische

Kühlung

Analyse solare Prozesskühlung

Vergleichsstudien

VergleichsstudieSolare Kühlung in

Gebäuden

Vergleichsstudie Solare

Prozesskühlung

Identifizierung vorteilhafter

Anwendungen

Abbildung 1.1 Projektstruktur von EVASOLK.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 7

2 Zusammenfassung

Eine detailliertere Zusammenfassung der Einzelergebnisse im Projekt findet sich jeweils im Ab-

schnitt 3.2.4 und 3.3.5 sowie jeweils am Ende der Abschnitte 5 und 6.

Im Teil Referenztechnologie des Projektes (Abschnitt 3) wurde der gegenwärtige Stand der den

Markt dominierenden Kompressionskältetechnik für Klimatisierungs- und Prozesskühlanwendun-

gen im Leistungsbereich bis 50 kW Kälteleistung betrachtet.

Über die Angaben der Hersteller zur Effizienz im Nennbetrieb hinaus liegen nur sehr wenige veröf-

fentlichte Ergebnisse von Anlagen im realen Betrieb vor. Innerhalb des Projektes wurden daher acht

Kompressionskälteanlagen vermessen, sechs im Bereich der Komfortklimatisierung, zwei im Be-

reich der Prozesskühlung.

Die Ergebnisse der Vermessung zeigen eine weitgehende Übereinstimmung der im Jahres- bzw.

Saisonverlauf erreichten Effizienzwerte mit Modellen, die im Bereich der Normung zur Beschrei-

bung der energetischen Effizienz verschiedener Typen von Kompressionskälteanlagen verwendet

werden. Allerdings gilt dies nur, wenn die Anlagen bestimmungsgemäß bzw. sinnvoll betrieben

werden. Infolge Überdimensionierung der Kälteanlage, ungünstiger Regelung bzw. fehlender Kom-

munikation zwischen Erzeuger und Verbraucher traten teilweise überproportional hohe Hilfsener-

gieverbräuche auf bzw. wurden die Anlagen in sehr niedriger Teillast betrieben. Dadurch lag die

Effizienz einiger Anlagen unter den eigentlich zu erwartenden Werten.

Insgesamt dienten die gewonnenen Ergebnisse zur Validierung der im Simulationsteil des Vorha-

bens verwendeten Modelle für die Kompressionskältetechnik.

Mittels einer Expertenbefragung wurden Entwicklungstendenzen und –potentiale im Bereich der

Kompressionskältetechnik ermittelt. Dabei wurde deutlich, dass die meisten Befragten von einer

weiter zunehmenden Verbreitung von Klimageräten in Gebäuden ausgehen. Eine überwiegende

Mehrheit geht auch davon aus, dass die Energieeffizienz der Geräte in Zukunft weiter steigen wird

und auch die Bedeutung der Effizienz als Entscheidungskriterium des Kunden zunimmt.

Im Abschnitt 4 des Berichtes wird hauptsächlich auf den separaten Bericht zur Analyse der solar-

thermischen Kühlung hingewiesen. In diesem Dokument wird eine grundlegende Einführung in die

Technik der thermisch angetriebenen Kälteanlagen gegeben. Zudem werden die verschiedenen

Möglichkeiten der thermischen Kühlung aufgezeigt sowie die Abgrenzung der einzelnen Techniken

untereinander gezogen. Neben einer Marktübersicht werden die wichtigsten Erfahrungen von

solarthermischen Kühlsystemen, die in vergangenen Projekten gesammelt wurden, dargestellt und

auf typische Probleme eingegangen. Diese beruhen zumeist auf einer mangelhaften Planung bzw.

Ausführung des gesamten Kühlsystems, bei dem der thermische Kälteerzeuger nur eine Komponen-

te ist. Eine häufige Folge hiervon ist ein erhöhter Bedarf an elektrischer Energie. Gerade der ange-

strebte geringe elektrische Energiebedarf, verglichen mit konventioneller Kompressionskältetech-

nik, ist aber eines der Hauptargumente für solarthermische Kühlung. Ebenso werden die positiven

Erfahrungen von solarthermischen Kühlungsprojekten herausgestellt, auf erzielte Erfolge hingewie-

sen und somit das Potenzial dieser Technik gezeigt.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 8

Zudem werden in diesem Berichtsteil aktuelle Entwicklungstrends bei geschlossenen thermischen

Kälteerzeugern vorgestellt sowie das Optimierungspotenzial von System- und Apparatetechnik

diskutiert. Damit wird eine Abschätzung gegeben, welche Wirkung und Effizienz thermische ange-

triebene Kälteerzeuger zukünftig erreichen können.

In der Vergleichsstudie Solare Kühlung in Gebäuden (Abschnitt 5) wird nicht ausschließlich solare

Kühlung, sondern die energetische Einbettung der Kühlung in die Gebäudeversorgung Heizen und

Brauchwarmwasserbereitung betrachtet. Durch Modellrechnungen wurden einerseits unterschied-

liche marktgängige Anwendungen und Konfigurationen solarthermisch unterstützter Verfahren

verglichen mit konventioneller Gebäudeversorgung (Referenz). Auf der anderen Seite erfolgte auch

ein Vergleich konventioneller Gebäudeversorgung mit Erweiterung um einen netzgekoppelten PV-

Generator mit der Referenz. Hier wurden keine expliziten Maßnahmen der Steigerung des Eigen-

verbrauchs photovoltaisch erzeugten Stroms durch Speicherung oder Regelung betrachtet; lediglich

die PV-Generatorleistung wurde limitiert um bereits ohne weitere Maßnahmen eine hohe Aufnahme

des generierten Stroms vor Ort zu ermöglichen.

Hinsichtlich der Marktverbreitung befindet sich die solarthermische Kühlung gegenüber konventio-

neller Kältetechnik noch deutlich im Nachteil; insbesondere die thermisch angetriebene Kältetech-

nik ist mit den Fertigungszahlen überwiegend im Kleinserien- oder Einzelstückbereich vergleichs-

weise teuer. Dies schränkt gegenwärtig die Wirtschaftlichkeit solarthermischer Kühlung auf An-

wendungsgebiete ein, in denen auch ein ganzjährig hoher Brauchwarmwasserbedarf vorliegt und

damit eine sehr hohe Ausnutzung des Kollektorsystems gewährleistet ist. Hier sind hohe Primär-

energieeinsparungen und CO2-Emissionsvermeidungen erreichbar. Eine sorgfältige Auslegung der

thermisch angetriebenen kältetechnischen Komponente (keine Auslegung auf Spitzenlast) unter-

stützt die Wettbewerbsfähigkeit. Aufgrund der Kostendegression in den Investitionskosten der

Hauptkomponenten Solarkollektor und thermisch angetriebene Kältetechnik sind zudem große

Anlagen noch gegenüber Installationen mit kleiner Nennkälteleistung im Vorteil.

Südeuropäische Standorte schneiden in der solarthermischen Kühlung durch hohe Einstrahlungen

in der wirtschaftlichen Darstellung in der Regel deutlich günstiger ab als Standorte in Mitteleuropa.

In der Entwicklung der Technologie sollte daher der Exportcharakter berücksichtigt werden.

Während in naher Zukunft nur moderate Effizienzsteigerungen in thermisch angetriebenen Verfah-

ren (Kollektoren und Kältemaschinen) erwartet werden können, sind deutliche Kostensenkungen in

diesen Hauptkomponenten und auch durch standardisierte Installationen eher wahrscheinlich.

Damit erweitert sich der Kreis der wirtschaftlich vorteilhaften Anwendungen, bleibt aber vermut-

lich noch mittelfristig auf Anwendungen mit zusätzlich hohem Warmwasserbedarf beschränkt.

Für die Optionen der konventionellen Gebäudeversorgung mit PV-Generator zeigt sich, dass dieser

Ansatz gegenwärtig deutlich wirtschaftlich vorteilhafter ist, wenn es hauptsächlich um die Substitu-

tion von Netzstrom geht und fossile Energieträger keine dominante Rolle spielen. Je nach Anwen-

dungsart kann dabei die Unruhe im lokalen Stromnetz deutlich zunehmen (Netz-„Stress“) und als

Hinweis auf wachsende Netzbelastung interpretiert werden. Der letzte Aspekt wurde hier nicht

monetär quantifiziert, kann aber in Regionen mit instabilem Stromnetz neben der Wirtschaftlichkeit

ein weiteres Entscheidungskriterium für die Auswahl der Technologie darstellen.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 9

Für den Bereich der solaren Prozesskühlung (Abschnitt 6) wurden eine Übersicht zu den techni-

schen Ausführungsmöglichkeiten hinsichtlich der solaren Kälteerzeugung und der Kältespeicherung

sowie eine Übersicht verfügbarer Komponenten erstellt. Zudem erfolgte eine beispielhafte Darstel-

lung bisher umgesetzter Projekte.

Im weiterführenden Teil wurden auf Grundlage der besonderen Anforderungen beispielhafte Sys-

temkonfigurationen für solarthermisch und photovoltaisch unterstützte Prozesskältesysteme ent-

wickelt und analysiert sowie Vor- und Nachteile bewertet.

Je ein photovoltaisches und ein solarthermisches System wurden modelliert und unter Variation

verschiedener Parameter am Standort Palermo verglichen. Unter den gewählten Randbedingungen

erreichte das photovoltaisch angetriebene System höhere Primärenergieeinsparungen und solare

Deckungsgrade als das solarthermisch unterstützte System. Auch wenn im Rahmen dieser Betrach-

tungen kein Kostenvergleich vorgenommen wurde, kann davon ausgegangen werden, dass unter

Annahme der aktuellen, deutschen Kostenstrukturen die solarelektrische Variante auch wirtschaft-

liche Vorteile bietet, sowohl gegenüber dem Referenzsystem also auch gegenüber der solarthermi-

schen Variante. Konzentrierende Kollektoren wurden nicht simuliert. Sie erreichen bei den erfor-

derlichen hohen Antriebstemperaturen einen höheren Wirkungsgrad, so dass derartige Systeme

bezüglich der Primärenergieeinsparung und des solaren Deckungsgrades eher mit der photovoltai-

schen Variante konkurrieren können.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 10

3 Referenztechnologie

Autoren: Sebastian, Wittig, Mathias Safarik (ILK), Peter Zachmeier (ZAE)

3.1 Vermessung bestehender Anlagen

Obwohl Kompressionskälteanlagen den Markt der Kältetechnik dominieren, gibt es wenig Er-

fahrung bezüglich deren in typischen praktischen Anwendungen erreichten Effizienzwerten. Es

sind lediglich Angaben von Prüfstandmessungen verfügbar, die zur Klassifizierung herangezo-

gen werden können. Diese Werte stammen zum Teil von den Herstellern selbst, zum Teil von

externen Prüfstellen wie z.B. der Eurovent Organisation. Die Werte werden allerdings unter La-

borbedingungen ermittelt. Inwieweit diese von der Realität abweichen bzw. welche Besonder-

heiten – oder gar Komplikationen - im Feld zusätzlich auftreten, wird dabei nicht erfasst.

Um für die Simulation eine Basis mit realen Jahresarbeitszahlen bzw. Effizienzwerten zu erhal-

ten, wurden insgesamt acht verschiedene Kompressionskälteanlagen für ein Jahr messtech-

nisch überwacht. Die untersuchten Kälteanlagen waren sowohl Bestandsanlagen als auch Neu-

installationen bei zufällig ausgewählten Anwendern, die für eine Projektzusammenarbeit ge-

wonnen wurden. Um ein möglichst realistisches Bild zu erhalten, wurde kein Einfluss auf die

Planung und Ausführung der Anlagentechnik genommen. Somit sollten typische Betriebszu-

stände inklusive eventueller Über- oder Unterdimensionierung sowie die reale Einbindung ins

Gebäude erfasst werden. Dieser Punkt ist insofern interessant, da das Monitoring von solar-

thermischen Kühlungen häufig suboptimale Systemeinbindungen mit erhöhtem sekundären

Energieverbrauch aufzeigt.

Nr. Anlagentyp Institut

Raumkühlgeräte im Büro- und Wohnbereich (Komfortklimatisierung)

1 Kaltwassersatz, 5…15 kW zur Versorgung von Umluftkühlern (Kältemittel: R410A; Q0 = 13.1 kW)

ILK

2 Kaltwassersatz, 30…50 kW zur Versorgung einer Flächen-/Deckenkühlung (Kältemittel: R407C; Q0 = 46.6 kW)

ZAE

3 Kaltwassersatz, 30…50 kW zur Versorgung von Umluftkühlern (Kältemittel R410A; Q0 = 54 kW)

ZAE

4 Mono-Split-Gerät, 2…5 kW, „Baumarktklasse“ (Kältemittel: R410A, Q0 = 2.65 kW)

ILK

5 Mono-Split-Gerät, 2…5 kW, „Markenanbieter“ (Kältemittel: R410A, Q0 = 5 kW)

ZAE

6 Multi-Split-Gerät, 15…40 kW, „Markenanbieter“ (Kältemittel: R410A, Q0 = 40 kW)

ILK

Anlagen zur Kühllagerung

7 Normalkühlung von Lebensmitteln o.ä. (z.B. Gemüse, Blumen), 10…50 kW, möglichst Solesystem, sonst direktverdampfendes System (Kältemittel: R407C, Q0 = 17.4 kW)

ILK

8 Kühlzelle zur Lebensmittelkühlung (z.B. Handel, Gastronomie); 2…5 kW, direktverdamp-fendes System (Kältemittel: R134a; Q0 = 2.0 kW)

ZAE

Tabelle 3.1.1 Im Betrieb untersuchte Kompressionskälteanlagen


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 11

Das Monitoringprogramm umfasst Messungen an acht Kälteanlagen, die sich hinsichtlich Ein-

satzzweck und Leistungsgröße unterscheiden und sowohl Kaltwassersätze als auch direktver-

dampfende Systeme umfassen. Es wurden sechs Anlagen zur Gebäudekühlung und –klima-

tisierung sowie zwei weitere Anlagen aus der gewerblichen Kühllagerung vermessen. Der Käl-

teleistungsbereich der untersuchten Installationen umfasst ca. 2.5 kW bis 50 kW. In Tabel-

le 3.1.1 sind die definierten Anwendungsbereiche mit den jeweils vermessenen Anlagen aufge-

führt. Der Tabelle kann ebenfalls das jeweils zuständige Institut entnommen werden.

Von den acht betrachteten Kälteanlagen wurden vier Anlagen vom ILK Dresden ausgesucht und

überwacht, weitere vier betreute das ZAE Bayern. Da diese Arbeiten hauptsächlich von den je-

weiligen Instituten erledigt wurden, werden die Vorkommnisse und Ergebnisse der beiden Pro-

jektpartner getrennt dargestellt.

3.2 Vermessungen ILK Dresden

3.2.1 Beschreibung der Kältesysteme

Kaltwassersatz, 5…15 kW

Der Kaltwassersatz mit einer Nenn-Kälteleistung von 13.1 kW ist auf dem Dach des Wirt-

schaftsgebäudes einer Bundeswehrkaserne installiert (Abbildung 3.2.1). Er versorgt über einen

Wasser-Glykol-Kreislauf Umluftkühler in verschiedenen Büroräumen. Aufgrund bautechnischer

und formeller Verzögerungen konnte die Vermessung an diesem Gerät erst im April 2012 be-

gonnen werden. Hinzu kamen technische Probleme nach der Inbetriebnahme, sodass während

der Projektlaufzeit nur 5.5 Stunden Verdichterbetrieb ausgewertet werden konnten.

Abbildung 3.2.1 Kaltwassersatz, Q0 = 13.1 kW (links) und Umluftkühler (rechts)

Mono-Split Gerät, 2…5 kW, „Baumarktklasse“

Das in einem Baumarkt erworbene Gerät (Abbildung 3.2.2) mit einer Nenn-Kälteleistung von

2.65 kW wurde im Mai 2011 einer Laborvermessung unterzogen, mit der das Messverfahren

überprüft wurde. Ende Juni 2011 wurde das Gerät dann in einem vom ILK genutzten Büro in

Dresden in Betrieb genommen und über die verbleibende Zeit der Kühlsaison 2011 sowie der


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 12

gesamten folgenden Kühlsaison bis September 2012 betrieben worden. In diesem Zeitraum

leistete der Verdichter etwa 2800 Betriebsstunden.

Abbildung 3.2.2 Mono-Split-Gerät, Q0 = 2.65 kW; Außen- (links) und Innengerät (rechts)

Multi-Split-Gerät, 15…40 kW, „Markenanbieter“

Die VRF-Multi-Split-Anlage wurde im Frühsommer 2011 im Hauptgebäude des ILK in Dresden

installiert (Abbildung 3.2.3). Insgesamt wird das Gebäude von 6 Außeneinheiten mit einer

Nenn-Kälteleistung von je 40 kW versorgt. Die vermessene Einheit kühlt und heizt Büros auf

der Nord- und Südseite des 3. OG sowie auf der Südseite des 2. OG (insgesamt 25 Innengeräte).

Der Messbetrieb lief vom Juni 2011 bis September 2012. Ausgewertet wurden 1219 Stunden

Kühlbetrieb im Jahr 2011 und 2026 Stunden im Jahr 2012.

Normalkühlung von Lebensmitteln, 10…50 kW

In einem Lehr- und Forschungsgebäude in Dresden werden mehrere Kühlzellen (+6°C) betrie-

ben, die über Luftkühler mittels Wasser-Glykol-Gemisch gekühlt werden (Temperaturen im

Vor-/Rücklauf: -2/+4°C). Die Kälte wird von zwei Solekühlsätzen mit einer Nenn-Kälteleistung

von je 17,4 kW erzeugt (Abbildung 3.2.3). Einer dieser Solekühlsätze wurde vermessen. Mess-

werte wurden in dem Zeitraum April 2011 bis September 2012 aufgezeichnet. Den Auswertun-

gen liegen Messdaten von ca. 5726 Stunden Verdichterbetrieb zugrunde.

Abbildung 3.2.3 Multi-Split-Gerät, Q0 = 40 kW (links); Solekühler, Q0 = 17.4 kW (rechts)


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 13

3.2.2 Messmethode

Allgemeine Vorgehensweise

An den oben genannten Systemen wird messtechnisch die jeweils momentane Effizienz in ei-

nem ca. einjährigen Messzyklus erfasst, um die aus Normen und Regelwerken entnommenen

Effizienzwerte der Kälteerzeugung für den Systemvergleich durch Ergebnisse aus der beschrie-

benen, nicht repräsentativen Auswahl an vermessenen Geräten zu untersetzen.

Zur Beurteilung der Kälteanlagen bei direktverdampfenden Systemen (Split-Anlagen) werden

Kältemittel-Massenstrom (flüssig), Kondensationsdruck, Verdampfungsdruck, Temperatur des

Kältemittels nach dem Kondensator (flüssig) sowie vor dem Verdichter (gasförmig), Lufttempe-

ratur am Kondensator-Eintritt, Außenluftfeuchte, ggf. luftseitige Temperaturen an einem In-

nengerät und elektrische Leistungsaufnahme des Außengerätes (Verdichter, Ventilator, Steue-

rung) gemessen. Unter Nutzung der vorliegenden Stoffdaten des jeweiligen Kältemittels wird

die momentane Kälteleistung aus dem Messwerten berechnet.

Bei Kaltwassersätzen bzw. Solekühlern kann die Kälteleistung über den Kälteträgerkreislauf bi-

lanziert werden, sodass Kaltwasser-/Sole-Volumen- oder Massenstrom, Temperaturen des Käl-

teträgers am Ein- und Austritt aus der Kälteanlage zu vermessen sind. Darüber hinaus werden

Lufttemperatur am Kondensator-Eintritt, Außenluftfeuchte, ggf. luftseitige Temperaturen an

einem Innengerät und elektrische Leistungsaufnahme der Kälteanlage (Verdichter, Ventilator,

Steuerung, evtl. Pumpe) erfasst (Abbildung 3.2.4).

Abbildung 3.2.4 Exemplarische Darstellung der Messstellen an einem Kaltwassersatz / Solekühler (links) und einem Split-Gerät (rechts), T – Temperaturerfassung mit PT-100 direkt im Medium, M – Luft-feuchteerfassung, F – Massestromerfassung mit Coriolis-Massendurchflussmesser, P – Druckerfassung, J – elektrische Leistungserfassung

Sämtliche Sensoren sind mit einem Datalogger verbunden, welcher über Fernzugriff bedient

und ausgelesen werden kann. Bei der Auswahl der Sensoren und des Installationsortes wurde

die Notwendigkeit der sehr genauen Messung der Kältemittel-Drücke, -Temperaturen sowie


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 14

des Massestroms berücksichtigt (Genauigkeiten der verwendeten Messtechnik siehe Tabel-

le 3.2.1).

Sensor / Messbaustein Messbereich Genauigkeit

Drucksensor 0...40 bar (absolut) ± 0,1 % (FS)

Temperatursensor -50...100 °C ± 0,1 K

Coriolis-Durchflussmesser (Mono-Split) 0...450 kg/h ± 0,1 % (FS)

Coriolis-Durchflussmesser (Multi-Split) 0…2000 kg/h ± 0,15 % (FS)

Magnetisch-Induktiver Durchflussmesser (Sole/Kaltwassersatz)

0,3…12 m/s ± 0,3 % + 2 mm/s

Elektrische Leistungsmessung 0…3 kW / 0…15 kW ± 2 % (FS)

Tabelle 3.2.1 Messbereich und Genauigkeit verwendeter Sensoren / Messbausteine

Aus den gemessenen bzw. berechneten Werten zur Kälteleistung und dem elektrischen Ener-

giebedarf (Endenergie) lässt sich die Kälteleistungszahl (EER) ableiten. Wenn nicht anders an-

gegeben beinhalten die Berechnungen nur den Endenergiebedarf des Außengerätes (Verdich-

ter, Rückkühlung, Elektronik). Eventuell vorhandene Kaltwasserpumpen und Ventilatoren bzw.

weitere Verbraucher im Innengerät werden zu Vergleichszwecken unterschiedlich berücksich-

tigt, was jeweils entsprechend gekennzeichnet wird.

Die Anlagenperformance lässt sich dann bei verschiedenen Temperaturbedingungen abbilden.

Soweit die erfassten Messwerte es zulassen, wird dazu die Leistungszahl über der Temperatur-

differenz zwischen der Außenluft (zur Rückkühlung) und der Innenluft bei Split-Systemen bzw.

der Kälteträgervorlauftemperatur bei Kaltwassersystemen aufgetragen. Zur Einordnung dieser

Ergebnisse erfolgt die Gegenüberstellung mit einer aus der Norm DIN V 18599–7 [18599, 2007]

abgeleiteten Kennlinie zu den jeweiligen Kompressionskältesystemen. Diese Norm dient zur

Bewertung der Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden. Darüber hinaus werden die Hersteller-

angaben mit den Messergebnissen verglichen. Die aus den Messwerten über eine möglichst ge-

samte Kühlsaison gemittelte Kälteleistungszahl (sEER) wird, soweit möglich, ebenfalls berech-

net.

Validierung der Messmethode

Das Mono-Split-Gerät wurde vor dem Monitoring einer Laborvermessung unterzogen. Dies er-

möglichte eine Überprüfung der Messmethode und eine Abschätzung der Ergebnisbeeinflus-

sung durch die Installation von Messtechnik im Kältekreislauf. Zur Vermessung im Labor wurde

der in Abbildung 3.2.5 dargestellte Versuchsaufbau gewählt. Außen- und Innengerät werden in

zwei durch eine Wand getrennten Klimazellen installiert. In beiden Zellen ist die Lufttempera-

tur über Umluftkühler einstellbar. Die Lufttemperatur der „Kalorimeterkammer“, in der sich

das Innengerät befindet, wird durch einen elektrischen Widerstandsheizer auf die Soll-

Temperatur geregelt. Eine Einstellung der Luftfeuchte innerhalb der „Kalorimeterkammer“ war

nicht möglich. Im stationären Messbetrieb trat kein Kondensatanfall durch Luftentfeuchtung

auf. Die „Kalorimeterkammer“ befindet sich innerhalb einer weiteren Klimazelle („Große Zel-

le“), in der gleiche Temperaturbedingungen wie in der „Kalorimeterkammer“ eingestellt wur-

den.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 15

Abbildung 3.2.5 Versuchsaufbau der Laborvermessung des Mono-Split Gerätes, T – Temperatur mit PT-

100 direkt im Medium, M – Luftfeuchte, F – Massestrom mit Coriolis-Massendurchflussmesser, P – Druck, J –

Leistung

Die vom Innengerät aufgenommene Wärme kann kalorimetrisch durch Summation der vom

elektrischen Widerstandsheizer abgegebenen Wärme und der durch die Trennwand zwischen

„kleiner Zelle“ und „Kalorimeterkammer“ übertragenen Wärme bestimmt werden. Letztere

lässt sich aus den gemessenen Oberflächentemperaturen der Trennwand und einer bekannten

Konstante ableiten. Damit lässt sich die Kälteleistung des Gerätes errechnen. Parallel und unab-

hängig davon wird die Messmethode angewendet, welche auch bei dem Monitoring zum Ein-

satz kommt. Dabei werden an verschiedenen Stellen des Kältekreislaufes Druck, Temperatur

und Massestrom erfasst (vgl. auch Abbildung 3.2.5). Aus diesen Messwerten lässt sich ebenfalls

die Kälteleistung berechnen. Die Abweichungen der Ergebnisse aus beiden Messmethoden lie-

gen in einem sehr kleinen Bereich von ≤ 2,2 % (siehe Abbildung 3.2.6). Der Einfluss der für das

Monitoring im Kältekreislauf installierten Messtechnik kann damit als ausreichend gering be-

wertet werden.

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

-5 0 5 10 15

Gem

essen

e K

ält

ele

istu

ng

[kW

]

Differenz Lufteintrittstemperatur Außen- / Innengerät [K]

Messmethode Monitoring (Innentemp. 21 C)

kalorimetrisch Methode (Innentemp. 21 C)

Messmethode Monitoring (Innentemp. 27 C)

kolorimetrische Methode (Innentemp. 27 C)

Abbildung 3.2.6 Gegenüberstellung der im Laborversuch parallel mit zwei verschiedenen Mess-

methoden bestimmten Werte für die Kälteleistung


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 16

3.2.3 Ergebnisse

Kaltwassersatz 5…15 kW

Bei dem vermessenen Kaltwassersatz kommt es immer wieder zu technischen Problemen und

Ausfällen während des Messzeitraumes. Die Anlage ist nicht leistungsgeregelt. Entsprechend

der Schalthysterese liegt die Kälteträgervorlauftemperatur zwischen ca. 9 °C und 17 °C (Abbil-

dung 3.2.7). Bei Erreichen des unteren Grenzwertes wird der KM-Verdichter deaktiviert und

erst bei Erreichen des oberen Grenzwertes aktiviert. Hierdurch ergibt sich ein intermittieren-

der Betrieb der Anlage. Die relativ kurze Kälteerzeugungsphase von unter 5 Minuten innerhalb

eines Intervalls, sowie die geringe Temperaturdifferenz von Vor- und Rücklauftemperatur des

Kaltwassers bei deaktiviertem Kaltwassererzeuger lassen auf eine geringe bzw. keine Kältelast

in diesem Zeitraum schließen. Messdaten zu Betriebsphasen mit höheren Kältelasten und län-

geren Betriebszyklen liegen nicht vor.

Verdichter läuft, KW-Pumpe läuft

Verdichter steht, KW-Pumpe läuft weiter, keine signifikante Kälteabnahme

3 min 11 min

Abbildung 3.2.7 Typischer Leistungs- und Temperaturverlauf während der kurzen Betriebsphase des

Kaltwassersatzes im Juli - hier 04.07.2012 (1 – Kaltwasser-Rücklauf (hellgrün), 2 – Kaltwasser-Vorlauf

(blau), 3 – Außentemperatur (dunkelgrün), 4 – Kälteleistung (hellgrün), 5 – elektrische Leistung (rot))

In Abbildung 3.2.8 sind die bisherigen, nicht repräsentativen Ergebnisse dargestellt, wobei zwi-

schen den EER-Werten mit und ohne Kaltwasser-Pumpe (KW-Pumpe) unterschieden wird. In-

teressant ist dieser Vergleich, da die KW-Pumpe durchgängig, unabhängig vom Betrieb des

Kaltwassererzeugers bzw. der Umluftkühler in Betrieb ist. Der Bauherr hatte sich aufgrund der

investiven Mehrkosten gegen eine bedarfsgesteuerte Zuschaltung der KW-Pumpe entschieden.

Bei einer Zuschaltung der KW-Pumpe nach Bedarf ergeben sich EER-Werte, die sich je nach Be-

triebszykluslänge zwischen den dargestellten Ergebnissen einordnen würden.

Die aus den Messwerten berechnete Kennlinie ohne KW-Pumpe liegt nur leicht unterhalb der

aus der DIN V 18599-7 entsprechend abzuleitenden Kennlinie. Signifikante Unterschiede zur

gemessenen Kennlinie zeigen die Herstellerangaben, die deutlich höhere Leistungszahlen ver-

sprechen. Mögliche Gründe für die schlechte Anlagenperformance sind:

Der Kälteträger ist aus Frostschutzgründen ein Gemisch aus Wasser und Glykol. Hierdurch

wird der EER negativ beeinflusst.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 17

Das instationäre Betriebsverhalten mit Verdichterlaufzeiten von nur 3 bis 5 min. Die weni-

gen vor-liegenden Messergebnisse deuten darauf hin, dass die Leistungszahl im Beharrungs-

zustand deutlich über den bisher aufgetretenen Werten im ausschließlich intermittierenden

Betrieb liegt.

Die noch nicht endgültig geklärte Ursache der immer wieder aufgetretenen technischen Stö-

rungen hat möglicherweise einen negativen Einfluss auf den EER. Auch unabhängig davon

vorhandene technische Mängel sind denkbar (z.B. Kältemittelmangel).

Das Ableiten eines sEER-Wertes ist mit den vorliegenden Messwerten nicht möglich, da bis-

her kein regulärer Betrieb ohne immer wiederkehrende technische Störungen über einen

längeren Zeitraum vermessen werden konnte.

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30

EE

R

Differenz Außen- und Kaltwasservorlauftemperatur [K]

ohne KW-Pumpe (KW-Soll-Vorlauftemp.: 9 C)

mit KW-Pumpe (KW-Soll-Vorlauftemp.: 9 C)

ohne KW-Pumpe nach DIN 18599-7 (KW-Vorlauftemp.: 8 C)

Herstellerangaben (KW-Vorlauftemp.: 8 C)

Abbildung 3.2.8 Aus den nicht repräsentativen Messungen am Kaltwassersatz resultierende Werte für

den EER (mit/ohne Kaltwasserpumpe) im Vergleich zu den Kennlinien aus der DIN V 18599-7 und den Her-

stellerangaben

Mono-Split Gerät, 2…5 kW, „Baumarktklasse“

An Tagen mit gemäßigten Außentemperaturen arbeitet das Gerät im Taktbetrieb. Die Kühllast

des Raumes konnte zu jeder Zeit gedeckt und die Raumsolltemperatur von 24 °C eingehalten

werden. Abbildung 3.2.9 zeigt einen Tagesverlauf an einem heißen Sommertag. Bis 11:00 Uhr

arbeitet das Gerät im Taktbetrieb, danach bis zum Ende des eingestellten Zeitprogramms um

17:00 Uhr im Dauerbetrieb. Die eingestellte Raumsolltemperatur von 24 °C wird leicht über-

schritten, die Kühllast kann aufgrund des hohen Fensteranteils und einer Außentemperatur von

über 30 °C nicht vollständig gedeckt werden. Der EER des Außengerätes verringert sich mit an-

steigender Außentemperatur, sinkt aber selbst bei 32 °C Außentemperatur nicht unter einen

Wert von drei. Im Tagesmittel wird ein Wert von 3.48 ohne Innengerät und 3.00 mit Innengerät

erreicht.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 18

COP = 3,48

nur Außengerät

COP = 3,0

Inkl. Innengerät

Abbildung 3.2.9 Betriebsdaten und Anlageneffizienz des Mono-Split-Gerätes an einem heißen Sommer-

tag (AG–Außengerät; IG–Innengerät; KM–Kältemittel; Kond.–Kondensator)

Aus den gesammelten Messdaten der beiden Kühlsaisons werden Kälteleistungszahlen für je-

den Betriebszyklus berechnet (aus der vom Außengerät aufgenommenen elektrischen Leistung

bzw. Arbeit und der Kälteleistung/-arbeit im Zeitraum zwischen Starten und Abschalten des

Verdichters). In Abbildung 3.2.10 sind die ermittelten Werte des EER aller Kälteerzeugungs-

phasen vom Juni 2011 bis September 2012 dargestellt. Die Wertedarstellung erfolgt bewusst in

drei Zeitabschnitten (Kühlsaison 2011, Kühlsaison 2012 vor August, August – September

2012). Hierbei fallen sehr deutlich unterschiedliche EER-Niveaus auf. Von 2011 zu 2012 ist ein

signifikanter Effizienzverlust erkennbar. Im August 2012 wurde aufgrund dieser Beobachtung

eine Gerätewartung veranlasst. Dabei war ein Leck an einer Messstelle im Kältekreislauf und

Kältemittelmangel feststellbar (ca. 30 % der ursprünglichen Kältemittelfüllmenge war entwi-

chen). Nach der Beseitigung des Lecks und dem Auffüllen des Kältemittels ergaben sich höhere

Effizienzwerte (Messwerte August – September 2012). Darüber hinaus ließ sich feststellen,

dass im ersten Tageszyklus erkennbar schlechtere EER-Werte erreicht werden, als im nachfol-

genden Betrieb - sehr wahrscheinlich bedingt durch instationäre Anlaufvorgänge.

Die Monitoringergebnisse stimmen gut mit den Ergebnissen aus den Labormessungen überein.

Wobei dies besonders für die Monitoringergebnisse des Zeitraumes kurz nach den Labormes-

sungen gilt (Anfang Saison 2011). Änderungen der Kältemittelfüllmengen verursachen entspre-

chende Abweichungen innerhalb der anderen Zeiträume. Darüber hinaus wurde eine Luftent-

feuchtung am Verdampfer während der Labormessungen verhindert (geringe Luftfeuchtigkeit

in der Klimazelle). Eine Kondensation von Wasser kann während des Monitorings nicht ausge-

schlossen werden und führt evtl. zu geringfügig höheren Leistungszahlen.

Die vom Hersteller angegebene Leistungszahl konnte prinzipiell bestätigt werden, auch wenn

sie leicht über den gemessenen Werten am Nennpunkt liegt (Gemessen ca. 3.0; Herstelleranga-

ben 3.2). Die Anlage mit korrekter Kältemittelfüllmenge arbeitet 25 – 50 % über dem Effizienz-

niveau welches aus der DIN V 18599-7 für ein solches Gerät ableitbar ist (vgl. Abbil-

dung 3.2.11).

Aufgrund der Leckage lässt sich kein sEER-Wert für eine gesamte Kühlsaison angeben, der sich

bei einem technisch einwandfreien Zustand einstellt. Je nach betrachtetem Auswertungszeit-

raum liegt der Wert bei 3.5 (gesamter Messzeitraum, inkl. Leckage) bis 4.1 (nach Behebung der

Lecks im Kältekreislauf, aber nicht repräsentativer Außentemperaturverteilung). Diese Werte

gelten für den Fall, bei dem der Strombedarf des Innengeräts in die Berechnung mit einbezogen

wird. Ohne Einbeziehen des Innengerätes ergeben sich Werte von 4.1 bis 4.7.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 19

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15

EE

R

Differenz Außenluft- und Raumlufttemperatur [K]

1. Betriebszyklus pro Tag

Restliche Betriebszyklen (Saison 2011)

Restliche Betriebszyklen (Saison 2012, vor August)

Restliche Betriebszyklen (August - September 2012)

nach DIN V 18599 - 7

Herstellerangaben

Loborvermessung

Abbildung 3.2.10 Aus den Messungen am Mono-Split-Gerät resultierende Werte für den EER im Vergleich

zu der Kennlinie aus der DIN V 18599-7 und den Herstellerangaben (Werte beinhalten den elektrischen Leis-

tungsbedarf des Innengerätes)

Multi-Split Gerät, 15…40 kW, „Markenanbieter“

Die Auswertung der Messergebnisse bzw. die Bewertung der Effizienz wird durch die Komple-

xität dieser Anlage erschwert. So treten z.B. Zustände auf, bei denen die Kondensataustritts-

temperatur aus dem Außengerät deutlich unter der Lufttemperatur liegt. Dies lässt auf einen

Verdampfer im Außengerät schließen, mit dem eine zusätzliche Unterkühlung des Kondensats

hergestellt wird, um bei langen Leitungswegen eine Verdampfung des (Hochdruck-)Kälte-

mittels vor Erreichen der Innengeräte zu vermeiden. Die Blasenfreiheit des Kältemittels ist für

die ordnungsgemäße Funktion der Expansionsventile an den Innengeräten erforderlich. Bei-

spielhaft für einen sehr warmen Tag sind in Abbildung 3.2.11 einige Messergebnisse dargestellt.

Abbildung 3.2.11 VRF-Multi-Split-Gerät, Temperaturen und Leistungszahl, Tag mit hohen Außen-

temperaturen (AG_Luft-Ein – Lufttemperatur am Eintritt des Außengerätes, T_c – Austrittstemperatur des

Kältemittels am Kondensator des Außengerätes, saugseitige Eintrittstemperatur des Kältemittels am Au-

ßengerät)


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 20

Bei der vermessenen Anlage handelt es sich um ein Gerät mit VRF-Technologie (Variable Refri-

gerant Flow, dt.: variabler Kältemittelmassestrom). Ein variabler Kältemittelmassestrom wird

über die kombinierte Nutzung mehrerer Verdichter im Verbund und die Kombination mit einer

Verdichter-Drehzahlregelung realisiert. Hierdurch kann die Anlage auch im Teillastbereich be-

trieben werden. Um Erkenntnisse bezüglich des Teillastbetriebes der Anlage zu gewinnen wur-

de das in Abbildung 3.2.12 aufgetragene Kennfeld aus den Messwerten abgeleitet. Bei der Dar-

stellung erfolgt ausschließlich die Berücksichtigung der Außentemperatur (keine Differenz zur

Innentemperatur), da mit einem Außengerät mehrere Innengeräte bei voneinander abwei-

chenden Raumlufttemperaturen betrieben werden. Neben der Abhängigkeit von der Außen-

temperatur wird die Leistungszahl stark davon beeinflusst, in welchem Teillastbereich Kälte

erzeugt wird. Die gemessenen Daten wurden in Kälteleistungsklassen eingeordnet. So ergibt

sich je Klasse eine leistungsspezifische Kennlinie, welche die Temperaturabhängigkeit des EER

abbildet. Hier ist gut ersichtlich, dass bei einer sehr geringen Kälteleistung (bis ca. 12 % der

Nennleistung) die Leistungszahlen über alle Bereiche der Außentemperatur sehr niedrig sind

(2.0 – 3.0). Verursacht wird dies durch die Teillastregelung der Anlage. Bei einer Kälteleistung

über 25 % der Nennleistung arbeitet die Anlage deutlich effizienter mit Leistungswerten zwi-

schen ca. 4.0 bei 32 °C und 10.0 bei 12 °C Außentemperatur.

0

2

4

6

8

10

12

10 15 20 25 30 35 40

EE

R

Außentemperatur [ C]

Q0=0..5KW

Q0=5..10KW

Q0=10..15kW

Q0=15..40KW

nach DIN V 18599-7

Herstellerangaben (Q0=40kW)

Abbildung 3.2.12 Gemessenes Kennfeld des Multi-Split-Gerätes. In Leistungsbereichen oberhalb einer

Leistung von 10 kW ergeben sehr ähnliche Kennlinien, sodass die Bereiche von 15 bis 40 kW zur besseren

Übersichtlichkeit zusammengefasst wurden. (Auswertungszeitraum: März – September 2012, Werte ohne

Innengeräte)

Eine hohe Effizienz der Anlage kann aber auch im unteren Leistungsbereich wichtig sein. Be-

sonders dann, wenn die Anlage in diesem Bereich häufig betrieben wird. Abbildung 3.2.13 zeigt

dazu die Anteile der erzeugten Kälte innerhalb verschiedener Kälteleistungsklassen für das Jahr

2011 sowie für das Jahr 2012. Im Jahr 2011 wurde knapp die Hälfte der Kältearbeit im Leis-

tungsbereich 0...5 kW bereitgestellt. Im Jahr 2012 ist die Verteilung etwas in Richtung größerer

Leistungsklassen verschoben. Dennoch zeigt sich, dass gerade einmal 8.8 % (2011) bzw. 21.3 %

(2012) der Kälte in der oberen Hälfte des Leistungsbereiches erzeugt wird. Eine bessere Aus-

lastung des Systems im Jahr 2012 beeinflusst die über die Kühlsaison gemittelte Leistungszahl

(sEER) signifikant positiv (2011: 3.1; 2012: 4.4; 2011 und 2012: 3.9). Die Dimensionierung ei-

ner solchen Anlage hat damit einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtenergieeffizienz.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 21

45.6

23.2

13.59.0

4.91.8 1.0 1.1

17.6

31.0

16.813.3

9.17.1

3.81.3

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0..5 5..10 10..15 15..20 20..25 25..30 30..35 35..40

EE

R

An

teil

am

Gesam

tkält

eerz

eu

gu

ng

[%

]

Kälteleistungsklassen [kW]

Anteil (Jul. - Nov. 2011)

Anteil (Mar. - Sep. 2012)

EER (jeweils über gesamten Temp.-Bereiche gemittelt)

EER (nach DIN V 18599-7)

Abbildung 3.2.13 Verteilung der erzeugten Kälte über definierte Kälteleistungsbereiche für Juli – Novem-

ber 2011 und März – September 2012, sowie die über den gesamten Außentemperaturbereich gemittelten

EER der jeweiligen Kälteleistungsbereiche in Gegenüberstellung zur Kennlinie aus der DIN V 18599-7

Die Herstellerangaben zur Leistungszahl im Nennpunkt sind plausibel (vgl. Abbildung 3.2.12),

auch wenn damit das Verhalten im Teillastbereich keine Berücksichtigung findet. Die aus der

DIN V 18599-7 abgeleitete Kennlinie liegt zentral im gemessenen Kennfeld, kann aber als ein-

zelne Kennlinie die Zusammenhänge zwischen Leistungszahl, Kälteleistung und Temperatur

nicht abbilden. Die Kennlinie aus der Norm und der aus den Messungen, über alle Temperatur-

bereiche gemittelte Kennlinie der Anlageneffizienz beschreiben ein ähnliches Anlagenverhal-

ten (vgl. Abbildung 3.2.13). Die Betriebsbedingungen (Verteilung der Außentemperatur wäh-

rend des Anlagenbetriebes) beeinflussen den Verlauf dieser Kurve, sodass Abweichungen zu

erwarten sind.

Normalkühlung von Lebensmitteln o.ä., 10…50 kW, Solesystem

Die Auswertung der Daten zeigt einen in der Regel taktenden Betrieb des Solekühlers (vgl. Ab-

bildung 3.2.14), der nicht über eine Leistungsregelung verfügt und einen kleinen Pufferspeicher

versorgt. Von diesem werden die verschiedenen Verbraucher versorgt. Für die Auswertung

wurde ein Algorithmus zur Berücksichtigung des An- und Nachlaufverhaltens entwickelt, da die

Solepumpe 1 min vor Start des Kühlers in Betrieb geht und nach Ende des Verdichterbetriebs

für 1 min nachläuft.

Die Dauer eines Betriebszyklus wirkt sich auf die Effizienz der Anlage aus. Daher wurden die

ermittelten Daten nach der Länge des Betriebszyklus sortiert. In Abbildung 3.2.15 ist beispiel-

haft die Leistungszahl als Funktion des Temperaturhubs für Betriebszyklen dargestellt, die zwi-

schen 20 und 30 min lang waren. Der EER liegt zwischen ~2.4 bei einem Temperaturhub von

10 K und 1.4 bei einem Temperaturhub von 30 K.

Die Beurteilung der Anlageneffizienz ist aufgrund der relativ niedrigen Sole-

Vorlauftemperaturen (bis zu -4 °C) nicht ohne weiteres möglich. Der Anlagenhersteller liefert

ausschließlich einen EER-Wert für Standardbedingungen (2.78 bei 7/12 °C und 35 °C Außen-

temperatur). Ein Vergleich der gemessenen EER-Werte mit der DIN V 18599-7 ist streng ge-

nommen nicht möglich, da die Norm-Standardwerte für die Nennkälteleistungszahlen nur für


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 22

Kaltwasseraustrittstemperaturen zwischen 6 °C und 14 °C vorgibt. Um neben den Herstelleran-

gaben eine zusätzliche Bewertung der Ergebnisse zu ermöglichen, wird eine lineare Extrapola-

tion der in der Norm vorgegebenen Standardwerte vorgenommen und die entsprechende

Kennlinie zum Teillastverhalten abgeleitet (ebenfalls Abbildung 3.2.15). Bei einem Vergleich zu

den Messwerten ergeben sich ähnliche Kennlinienniveaus. Über den gesamten Messzeitraum

von April 2011 bis März 2012 lässt sich ein sEER-Wert von 2.33 berechnen. Bei diesem Wert ist

der Energiebedarf der Solepumpe nicht beinhaltet.

Abbildung 3.2.14 Exemplarischer Verlauf der Messwerte zur Verdeutlichung des Sole-Pumpen-

Betriebsverhaltens (1 – Temp. Kälteträger Eintritt in Solekühler (grün, linke Achse), 2 – Kälteträger Austritt

aus Solekühler (dunkelblau, linke Achse), 3 – Außenlufttemperatur, Temp. Eintritt Solekühler (rot, linke Ach-

se), 4 – Volumenstrom Kälteträger (dunkelgrün, linke Achse), 5 – Elektrische Leistungsaufnahme, W (hell-

blau, rechte Achse (4)), 6 – Kälteleistung, kW (orange, linke Achse))


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 23

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

-20 -10 0 10 20 30 40

EE

R

Differenz Außen- und Soleaustrittemperatur [K]

Messungen (-2/+4 C)

DIN V 18599 - 7 (Extrapolation auf VL -2 C)

Hersteller-angaben (7/12 C)

Abbildung 3.2.15 Abhängigkeit der Leistungszahl des Solekühlers von der Temperaturdifferenz zwischen

Außentemperatur und Kälteträgeraustrittstemperatur für Betriebsintervalle von 20…30 min (Messzeitraum

April 2011 bis März 2012), Leistung der Solepumpe nicht berücksichtigt

3.2.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerung

An drei der vier ausgewählten Kompressionskältesysteme konnten Messungen über einen Zeit-

raum von über einem Jahr zur Effizienzermittlung erfolgreich durchgeführt werden. Die von

den Herstellern dieser Anlagen angegebenen Leistungszahlen erweisen sich in der Praxis als

weitestgehend plausibel. Dies gilt besonders für die beiden vermessenen Split-Geräte. Aller-

dings lassen sich aus den Datenblattangaben zu dem Multi-Split-Gerät keinerlei Erkenntnisse

zum Teillastverhalten ableiten. Bei sehr geringer Teillast (unter 12 % der Nennkälteleistung)

arbeitet die Anlage deutlich unterhalb der Performance des Nennpunktes (bis zu 50 % weniger

effizient), was bei einem Vergleich mit anderen Systemen aber zwingend berücksichtigt werden

muss. Bei dem Gerät der Kategorie ‚Normalkühlung von Lebensmitteln o.ä., 10…50 kW‘ treten

große Abweichungen zwischen Messergebnissen und Herstellerangaben auf. Dies ist jedoch mit

den niedrigen Kälteträgertemperaturen (-2 / +4 °C) bei dem vermessenen Gerät erklärbar. Der

Hersteller hat nur Angaben zu einem höheren Temperaturniveau gemacht (7 / 12 °C). Insge-

samt liefern die Ergebnisse belastbare Basisdaten für Vergleiche mit solarthermischen Kälte-

systemen.

Für eines der vier vermessenen Geräte (Kaltwassersatz der Größenklasse 5…15 kW) sind die

Messdaten nur sehr bedingt aussagekräftig. An diesem Gerät traten während des Messzeitrau-

mes immer wieder Störungen auf, die keinen regulären Betrieb zuließen.

Interessant ist das relativ gute Abschneiden des Mono-Split-Gerätes im Vergleich zum Multi-

Split-Gerät mit variablen Kältemittelmassestrom (VRF). Trotz einer geringeren Kälteleistungs-

zahl im Nennpunkt (Mono-Split: 3.23; Multi-Split: 3.62) liegt der sEER des Mono-Split-Gerätes

mit 4.1 leicht über dem Wert des Multi-Split-Gerätes mit 3.9 (jeweils ohne Endenergiebedarf

des/der Innengeräte(s), für den gleichen Messzeitraum von Mitte 2011 bis September 2012).

Bei diesem Vergleich bleiben allerdings die unterschiedlichen Betriebsbedingungen der beiden

Anlagen unberücksichtigt, da z.B. beim VRF-Gerät eine Erfassung der Lufttemperaturen aller 25

Innengeräte nicht möglich war. Dennoch belegen die Monitoring-Ergebnisse die Bedeutung ei-

ner sorgfältigen Auslegung.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 24

Die aus der DIN V 18599 Teil 7 abgeleiteten Kennlinien liefern z.T. relativ gute Übereinstim-

mungen mit den Messwerten (Kaltwassersatz, Multi-Split-Gerät, Solekühler). Teilweise ergeben

sich aber auch größere Abweichungen, so liegen die der Norm entnommenen Leistungszahlen

des Mono-Split-Gerätes je nach Außentemperatur 25 – 50 % niedriger als die gemessenen. Zu-

dem wird das komplexere Kennfeld der Multi-Split-Anlage mit VRF nur sehr stark vereinfacht

abgebildet. Diese Norm dient als Werkzeug für ein Kennwertverfahren zur Bewertung der Ge-

samtenergieeffizienz von Gebäuden. Darin enthaltene Kennwerte unterliegen zwangsläufig be-

stimmten Vereinfachungen und Verallgemeinerungen, sodass sie nicht alle installierten Anla-

gen korrekt abbilden können.

Die geringe Anzahl vermessener Anlagen lässt keine allgemein gültigen Aussagen zu, unter-

stützt aber die Annahmen innerhalb des Systemvergleichs solarthermischer und solarelektri-

scher Kühlung.

3.3 Vermessungen ZAE Bayern

Die vier vom ZAE Bayern betreuten Kompressionskälteanlagen umfassen zwei Kaltwassersätze

im Leistungsbereich 30-50 kW Kälteleistung, eine Mono-Split-Komfortklimaanlage eines „Mar-

kenherstellers“ sowie eine Kühlzelle zur Lebensmittelkühlung. Nachfolgend werden die ent-

sprechend dieser Kriterien ausgewählten Anlagen vorgestellt.

3.3.1 Kaltwassersatz zur Versorgung einer Flächenkühlung

Installiertes System

Für die Vermessung eines Kaltwassersatzes zur Flächenkühlung konnte ein Unternehmen ge-

wonnen werden, welches in einem zweigeschossigen Büroneubau eine Flächenkühlung vorsah.

Da das Gebäude mit einer kontrollierten Lüftungsanlage ausgestattet wurde, kann auch die

Luftfeuchtigkeit reguliert werden. Dadurch wird unter anderem die Kondensatbildung durch

Taupunktunterschreitung an gekühlten Oberflächen vermieden. Dies erlaubt es, auch an

schwül-warmen Tagen hohe Kältelasten zu decken, da die Vorlauftemperatur der Flächenküh-

lung nicht angehoben werden muss. Bei unkonditionierter Lüftung müsste, im Gegensatz zu

dieser Systemkonfiguration, die Vorlauftemperatur der Flächenkühlung angehoben werden, um

eine Taupunktunterschreitung zu vermeiden. Dies resultiert allerdings in einer verminderten

Kühlleistung. Allerdings wird gerade an Tagen mit hoher Luftfeuchtigkeit Kühlung als beson-

ders angenehm empfunden.

In dem betrachteten System wurde ein Kaltwassersatz von Daikin, Typ EUWAB20KAZW1, mit

einer Nennkälteleistung von 46.6 kW verbaut. Der Kaltwassersatz besteht aus zwei identischen,

unabhängigen Kältekreisen. Somit ist es für den Kaltwassersatz möglich, eine grobe Leistungs-

regelung über die Stufen 0-50-100% vorzunehmen. Der Kaltwassersatz ist außerhalb des Ge-

bäudes im Bereich des Firmenparkplatzes aufgestellt. Zur Kälteverteilung, die sich im Keller des

Gebäudes befindet, führt eine ca. 100 m lange Leitung. Im Technikraum im Keller wird die Kälte

über einen Wärmeübertrager auf einen Sekundärkreis übertragen. Dieser Wärmeübertrager ist

über einen kurzen Kreis mit einer hydraulischen Weiche verbunden, die auch als Pufferspeicher

für das gesamte Kältesystem wirkt. Da der Kaltwassersatz sowie die Primärleitung im Freien

sind, wird der Primärkreis mit einer 34%igen Glykolmischung betrieben. Zwischen dem Kalt-

wassersatz und dem Pufferspeicher ist somit ein zusätzlicher Wärmeträgerkreis mit System-

trennung durch einen Wärmetauscher erforderlich. Der Aufbau ist in Abbildung 3.3.1 skizziert.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 25

Abbildung 3.3.1 Systemskizze Einbindung Kaltwassersatz in Kühlsystem Flächenkühlung

Durch die realisierte Anbindung des Kaltwassersatzes ergeben sich folgende Konsequenzen für

den Betrieb bzw. die Effizienz der Kälteerzeugung.

Verglichen mit den Bedingungen auf einem Prüfstand, bei denen die Kaltwasserpumpe in einen

direkt benachbarten Kaltwasserpufferspeicher fördert, muss die Umwälzpumpe für den unter-

suchten Kaltwassersatz eine erhöhte hydraulische Arbeit leisten. Deshalb macht der Energie-

bedarf der Pumpe einen signifikanten Anteil am gesamten Energieverbrauch aus. Zum einen

muss die Pumpe das Fluid über eine längere Wegstrecke pumpen und anschließend durch ei-

nen druckverlustbehafteten Wärmeübertrager fördern. Zum anderen handelt es sich bei dem

gepumpten Fluid um Glykol, welches verglichen mit Wasser eine erhöhte Viskosität und eine

verringerte Wärmekapazität aufweist. Des Weiteren ist die regelungstechnische Anforderung

des Kaltwassersatzes nicht optimal gelöst. Befindet sich das Gesamtsystem im Kühlmodus, so

wird der Kaltwassersatz angefordert. Da der Kaltwassersatz auf die Temperaturen im primären

Glykolkreislauf regelt, wird die Umwälzpumpe unabhängig vom Ladezustand des Kaltwasser-

pufferspeichers in Betrieb genommen. Dies führt besonders bei schwachen Kühllasten dazu,

dass die Umwälzpumpe eine deutliche längere Laufzeit als die Kompressoren des Kaltwasser-

satzes aufweist und somit unnötigerweise Hilfsenergie durch die Pumpe verbraucht wird.

Ebenso arbeitet der Kaltwassersatz, bedingt durch den Zwischenkreis auf der Fluidseite, mit

niedrigeren Temperaturen als das Kältesystem benötigt. Dies verringert die Effizienz der Kälte-

erzeugung zusätzlich.

Messtechnik

Für die Erfassung der Kälteleistung und elektrischen Leistungsaufnahme wurden im Früh-

sommer 2011 einige Messsensoren installiert. Für die thermische Leistungsbilanzierung wurde

ein magnetisch induktives Volumenstrommessgerät sowie zwei PT-100 Temperatursensoren

im Glykolkreislauf installiert. Um den elektrischen Energiebedarf zu messen, wurde sowohl ein

Leistungsmessgerät für den gesamten Energiebedarf des Kaltwassersatzes verwendet als auch

jeweils ein Leistungsmesser, um die Komponenten Pumpe, Lüfter und einen Verdichter einzeln

zu erfassen. Zusätzlich wurden die Luftfeuchtigkeit und Temperatur sowohl in einem gekühlten

Referenzbüro sowie am Kaltwassersatz erfasst. Dadurch kann die Leistung und Effizienz bei ge-

gebenen Randbedingungen ermittelt werden. Zusätzlich wurden noch zwei Drucksensoren in

Wärmetauscher Primärkreispumpe

Kaltwassersatz Umwälzpumpe

Pufferspeicher

Pufferladepumpe

Lüftungsgerät

Flächenkühlung


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 26

einem der beiden Kältekreisläufe installiert, um die interne Drucklage bei verschiedenen Be-

triebsbedingungen zu ermitteln.

Durch die Installation der Drucksensoren im Kältekreislauf 1 des Kaltwassersatzes entstand ei-

ne geringe Undichtigkeit, die zu einem Kältemittelverlust führte. Da dieser Schwund gering war,

machte er sich erst nach einem längeren Betriebszeitraum durch eine verminderte Kälteleis-

tung und Effizienz bemerkbar. Ebenso sank die Drucklage des Kältekreislaufes bei gleichen Be-

triebsbedingungen ab. Da diese Verminderung in Effizienz und Kälteleistung auf eine nicht

rückwirkungsfreie Messtechnik zurückzuführen war, wurde die Effizienz dieses Kältekreislau-

fes bei der Bewertung nicht berücksichtigt. Für die Auswertung wurden nur die Effizienzwerte

des Kältekreislaufes herangezogen, der nicht durch Messtechnik beeinflusst wurde.

Betriebsergebnisse und Analyse

In den beiden Betriebsjahren 2011 und 2012 wurden Betriebsdaten gesammelt und die Leis-

tung und Effizienz berechnet. Die Ergebnisse sind nachfolgend in Tabelle 3.3.1 dargestellt.

Kältekreis 1 Kältekreis 2

Mo

na

t d

es

Jah

res

An

zah

l T

ag

e m

it

Kä

lte

erz

eu

gu

ng

Erz

eu

gte

Kä

lte

En

erg

ieb

ed

arf

in

kl.

Pu

mp

e

En

erg

ieb

ed

arf

K

alt

wa

sse

rsa

tz

sEE

R

ink

l. P

um

pe

sEE

R

Ka

ltw

ass

ers

atz

Erz

eu

gte

Kä

lte

En

erg

ieb

ed

arf

in

kl.

Pu

mp

e

En

erg

ieb

ed

arf

K

alt

wa

sse

rsa

tz

sEE

R

ink

l. P

um

pe

sEE

R

Ka

ltw

ass

ers

atz

[kWhth] [kWhel] [kWhel] [-] [-] [kWhth] [kWhel] [kWhel] [-] [-]

Jul 11 26 5576 1850 1593 3.01 3.50 2331 684 614 3.41 3.80

Aug 11 31 4756 1974 1602 2.41 2.97 1703 541 448 3.15 3.80

Sep 11 28 2976 1215 970 2.45 3.07 1263 364 299 3.47 4.23

Okt 11 9 462 186 148 2.49 3.13 211 58 48 3.63 4.42

Jul 12 26 3099 1300 1042 2.38 2.97 2582 920 749 2.81 3.45

Aug 12 30 4066 1781 1433 2.28 2.84 3480 1292 1054 2.69 3.30

Sep 12 19 1310 562 449 2.33 2.91 828 303 246 2.73 3.37

Okt 12 5 50 21 17 2.36 3.00 45 16 12 2,87 3.62

Gesamt 174 22295 8889 7254 2.51 3.07 12443 4178 3470 2.98 3.59

Tabelle 3.3.1 Übersicht Energieverbrauch und Effizienz Kaltwassersatz Flächenkühlung

In Tabelle 3.3.1 ist neben der bereitgestellten Kälte auch die bezogene elektrische Arbeit des

Kaltwassersatzes insgesamt und der Primärpumpe dargestellt. Ebenso ist die Effizienz über den

saisonalen EER (sEER) dargestellt. Dabei wird für jeden Monat die erzeugte Kälte durch die be-

zogene elektrische Arbeit dividiert. Im Wert „sEER Kaltwassersatz“ werden als elektrische Ver-

braucher nur Verdichter, Ventilator und Regelung betrachtet, im Wert „sEER inkl. Pumpe“ wird

noch zusätzlich die Pumpe des Primärkreislaufes miteinbezogen. Dadurch wird der energeti-

sche Einfluss der Primärkreispumpe verdeutlicht. Die elektrische Arbeit, die von der Primär-

kreispumpe bei Verdichterstillstand bezogen wird, ist hier nicht ausgewiesen. Diese betrug im

ersten Betriebsjahr 766 kWh und im zweiten Jahr 462 kWh.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 27

Betrachtet man die Effizienz des Kaltwassersatzes, so zeigt sich eine deutliche Abweichung zwi-

schen Kältekreis 1 und Kältekreis 2 im Jahr 2011. Dies ist durch die Leckage im Kältekreislauf 1,

welche durch die Messtechnik hervorgerufen wurde, zu erklären. Zum Jahreswechsel

2011/2012 wurde die Leckage behoben und Kältemittel im Kältekreislauf 1 nachgefüllt. Da der

Kaltwassersatz mit dem Kältemittel R407C betrieben wird, welches einen Temperaturgleit von

ca. 7 K aufweist, kann davon ausgegangen werden, dass die einzelnen Komponenten des Käl-

temittels sich in unterschiedlicher Konzentration verflüchtigt haben. Durch das Nachfüllen mit

neuem Kältemittel entstand im Kältekreislauf ein Gemisch, welches von R407C abweicht. Die

Schwersieder haben einen zu großen Anteil was für den Betrieb nicht optimal ist. Deshalb er-

reicht der Kältekreislauf 1 im Jahr 2012 ebenfalls einen geringeren Effizienzwert als der Kälte-

kreislauf 2, abzulesen in der Spalte „sEER Kaltwassersatz“.

Vergleicht man die Effizienz des Kältekreislaufes 2 in den beiden Betriebsjahren, so ist eine

deutliche Verschlechterung im zweiten Betriebsjahr festzustellen. Besonders gut ist dies am

Wert „sEER Kaltwassersatz“ zu sehen. Insgesamt war das Jahr 2012 zwar tendenziell wärmer,

wodurch der Kaltwassersatz häufiger mit höheren Rückkühltemperaturen betrieben wurde.

Die Größe der Abweichung in der Effizienz kann hierdurch aber nicht erklärt werden. Ebenso

wurde im Jahr 2012 die Sollvorlauftemperatur des Kaltwassersatzes erhöht, wodurch der Ein-

fluss einer höheren Außentemperatur auf die Anlageneffizienz, teilweise ausgeglichen wird. Die

Ursache für die Verschlechterung der Effizienz konnte nicht zweifelsfrei festgestellt werden.

Mögliche Gründe sind eine Verschmutzung der Wärmetauscher, insbesondere des Kondensa-

tors durch Luftstaub bzw. Ablagerungen oder ein Verlust von Kältemittel. Da der Kältekreis-

lauf 2 nicht mit Druckmesssensoren ausgestattet worden war, wäre ein Kältemittelverlust auf

technische Undichtigkeiten zurückzuführen.

Sollte die Ursache für den Effizienzverlust im Kältekreislauf ein Kältemittelverlust sein, so muss

für die Ökobilanz das Treibhausgaspotenzial des Kältemittels mit berücksichtigt werden. Eine

Abschätzung des Umwelteinflusses einer potenziellen Leckage ergibt folgendes Ergebnis: der

Kaltwassersatz hat eine Füllmenge von 5.9 kg R407C je Kältekreislauf. Der GWP-Wert von

R407C beträgt 1500, d.h. ein Kilogramm Kältemittel ist so klimawirksam wie 1500 kg CO2. Die

elektrische Energie im deutschen Strommix wird mit 562 g CO2-Äquivalent/kWh angesetzt.

[UBA, 2011]. Jedes entwichene kg Kältemittel R407C entspricht ca. 2670 kWh elektrischer

Energie.

Allgemein lässt sich feststellen, dass eine Verringerung der Effizienz bei Kältemaschinen, die

nicht messtechnisch überwacht werden und gleichzeitig großzügig dimensioniert wurden,

schwierig festzustellen ist, da die Kältelast trotzdem gedeckt wird und somit die Kältemaschine

ihren Zweck erfüllt. Durch den Einsatz eines Kältemittels mit hohem Temperaturgleit ist auch

ein Ausgleich von möglichen Kältemittelverlusten nur unter höherem Aufwand möglich, da der

Kältekreis nicht nachgefüllt werden kann. Dieser muss zuerst vollständig evakuiert und an-

schließend komplett neu befüllt werden, um die vorgesehene Kältemittelmischung herzustel-

len.

Bei dem vom ZAE vermessenen Kaltwassersatz wäre die Effizienzeinbuße vermutlich nicht auf-

gefallen, da die Kühllast auch im zweiten Betriebsjahr problemlos gedeckt wurde. Dies liegt

hauptsächlich daran, dass die Leistung des Kaltwassersatzes deutlich über der Kühllast liegt.

Der Kaltwassersatz hat eine Nennkälteleistung von 46 kW, wenn beide Kältekreisläufe zeit-

gleich in Betrieb sind. In den betrachteten zwei Jahren, in denen der Kaltwassersatz über eine

Dauer von insgesamt 1758 h im Einsatz war, waren nur während 36 h beide Kältekreisläufe


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 28

zeitgleich in Betrieb. Dies entspricht einem Volllastanteil von 2 %. In den meisten Zeiträumen

hätte also noch eine Kälteleistungsreserve von über 50 % zur Verfügung gestanden.

Erwartet wurde, dass der Kaltwassersatz bei kleinerer externer Temperaturspreizung effizien-

ter arbeitet. Dies wurde auch beobachtet, allerdings fällt die Steigerung des EER weitaus gerin-

ger aus, als aus dem Rückgang des externen Temperaturhubs geschlossen werden kann. Zudem

sinkt die Kälteleistung ab, wenn ein Mindestverflüssigungsdruck unterschritten wird. Dies soll

anhand von Abbildung 3.3.2 verdeutlicht werden. Das Leistungsverhältnis ist hierbei auf der

sekundären Ordinate angetragen, die restlichen Werte beziehen sich auf die primäre (linke)

Ordinate.

Abbildung 3.3.2 Auswirkung geringer Temperaturhübe auf Kältekreislauf

In Abbildung 3.3.2 ist eine nächtliche Betriebsphase, in der der Kaltwassersatz für mehrere

Stunden durchgehend lief. Die Kaltwasservorlauftemperatur (KW-Vorlauf) steigt zu Beginn des

betrachteten Zeitraums von ~10 °C auf 13 °C an und sinkt langsam wieder auf 10 °C, die Außen-

temperatur sinkt im Betrachtungszeitraumes von ~22 auf 12 °C ab. Der EER-Wert des Kaltwas-

sersatzes steigt von ~3.0 auf ca. 3.5 an. Während also der externe Temperaturhub von 9 K auf

2 K gesunken ist, steigt der EER nur um ca. 20 % an. Hier wirken zwei Effekte. Zum einen ist der

interne, vom Kältekreislauf zu bewältigende Temperaturhub höher als der externe Tempera-

turhub, da die beiden Wärmetauscher Verdampfer und Kondensator technisch bedingt eine

gewisse Grädigkeit aufweisen. Zum anderen wird für die Zirkulation des Kältemittels im Kälte-

kreislauf ein Druckunterschied benötigt, um die Strömung des Kältemittels aufrecht zu erhal-

ten. Ebenso benötigt das Expansionsventil eine Druckdifferenz, um den Verdampfer ausrei-

chend mit Kältemittel zu versorgen. Erreicht den Verdampfer nicht genügend Kältemittel, so

sinkt der Verdampfungsdruck ab und die Kälteleistung geht zurück. Dies ist der Fall vor 2 Uhr.

Kurz nach 2 Uhr halbiert sich die Leistungsaufnahme des Ventilators. Um die Übersichtlichkeit

der Grafik zu bewahren, ist dies nicht im Diagramm dargestellt. Als Reaktion auf die verschlech-

terte Rückkühlung steigt der Kondensatordruck. Da das Expansionsventil nun einen größeren

Vordruck sieht, strömt mehr Kältemittel in den Verdampfer und das Verdampfungsdruckniveau

steigt auslegungsgemäß an. Der erhöhte Verdampfungsdruck führt zu einem größeren geför-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 29

derten Massenstrom an Kältemittel, wodurch die Kälteleistung ansteigt. Die Verdichterleistung

steigt wegen des erhöhten Massenstroms und Kondensationsdruckes ebenfalls an. Der EER

hingegen fällt geringfügig auf ~3.25 ab.

Anforderungsprofil und Eignung für solare Kühlung

Eine Korrelation von Außentemperatur und Solarstrahlung mit der erzeugten Kälte ist nur par-

tiell zu sehen. Beim Kühlbedarf überlagern sich verschiedene Effekte, weshalb sich keine direk-

te Abhängigkeit herausbildet. So ist die Belegung des Gebäudes je nach Monat und vor allem je

nach Wochentag verschieden, wodurch die inneren Lasten variieren. Zusätzlich wirkt sich die

thermische Gebäudemasse bei Tagen mit einem großen Temperaturgefälle zwischen Tag und

Nacht sehr günstig aus. So wird durch die kontrollierte Belüftung in der Nacht ein Teil der

Wärmelasten abgeführt. Dadurch führen wenige heiße Tage nicht sofort zu einer erhöhten

Kühlleistung, da dies aufgrund von thermischer Gebäudeträgheit nicht nötig ist.

Datum Wochen-

tag Energie-bedarf

Kälte

Ø Außen-temperatur

während des Betriebs

Max. Außen-temperatur


Solar-strahlung

Solar-strahlung /

Energie-bedarf

[kWhel] [kWhth] [°C] [°C] [Wh/m²] [1/1000 m²]

23.07.2012 Mo. 15 22 16 23 7542 504

24.07.2012 Di. 73 175 21 30 7095 97

25.07.2012 Mi. 116 278 21 28 5323 46

26.07.2012 Do. 108 260 23 31 6873 64

27.07.2012 Fr. 23 54 25 33 6639 295

28.07.2012 Sa. 2 0 20 25 3187 1609

29.07.2012 So. 52 132 17 22 4500 86

30.07.2012 Mo. 80 188 16 22 5460 68

31.07.2012 Di. 144 341 17 24 5047 35

01.08.2012 Mi. 146 360 21 30 7014 48

02.08.2012 Do. 175 396 22 27 5303 30

03.08.2012 Fr. 209 481 19 25 4789 23

04.08.2012 Sa. 148 374 19 26 5023 34

05.08.2012 So. 80 212 21 27 4878 61

06.08.2012 Mo. 118 289 17 20 1496 13

07.08.2012 Di. 138 328 16 22 4530 33

08.08.2012 Mi. 146 349 15 20 4707 32

09.08.2012 Do. 165 412 16 25 4993 30

10.08.2012 Fr. 144 373 17 23 5282 37

11.08.2012 Sa. 89 199 15 21 5263 59

12.08.2012 So. 103 251 15 24 6793 66

Tabelle 3.3.2 Energiebedarf, Kältebedarf und Solarstrahlung von 3 Wochen


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 30

In Tabelle 3.3.2 ist die erzeugte Kälte, der elektrische Energiebedarf des Kaltwassersatzes in-

klusive der primären Kaltwasserpumpe sowie Außentemperatur und Solarstrahlung darge-

stellt. Zudem ist das Verhältnis von Solarstrahlung zu elektrischem Energiebedarf abgebildet.

Das Verhältnis von Solarstrahlung zu Energiebedarf schwankt in den abgebildeten Wochen

sehr stark zwischen 13 und 1609. Lässt man einzelne Ausreiser außer Acht, so liegt der Wert

zumeist zwischen 30 und 60, d.h. er variiert um den Faktor 2. Zwischen Kältebedarf und Solar-

strahlung ist keine direkte Abhängigkeit zu erkennen. Eine solar elektrische Klimatisierung

könnte in dieser Anwendung nur mit Netzunterstützung arbeiten. Besonders an Tagen mit ho-

her Solarstrahlung und geringem Klimatisierungsbedarf müsste das Stromnetz elektrische Leis-

tung von der Photovoltaik abnehmen und würde so durch die Rückspeisung belastet. Solche Si-

tuationen können besonders an Wochenenden oder Feiertagen auftreten, wenn das Büro nicht

genutzt wird und gleichzeitig eine hohe Solarstrahlung zu verzeichnen ist.

Eine solarthermische Klimatisierung wäre auf Speicher bzw. Notkühleinrichtungen und ein Käl-

tebackup angewiesen, da für einen autarken Betrieb ebenfalls eine hohe Korrelation von Solar-

strahlung und Kältebedarf nötig ist.

Fazit

Der unbeeinflusste Kältekreislauf 2 des Kaltwassersatz arbeitete im ersten Jahr mit Effizienz-

werten (Monatsmittelwert des EER) von 3.8-4.4, im zweiten Betriebsjahr fällt die Effizienz auf

Werte von ca. 3.3 – 3.6. Über den Zeitraum von zwei Jahren erreicht dieser Kältekreislauf einen

gesamten Effizienzwert von 3.6. Die angegebene Effizienz berücksichtigt die Kälteleistung am

Kaltwassersatz bezogen auf den Energieverbrauch des Kaltwassersatzes außer der Kaltwasser-

pumpe. Wird die Kaltwasserpumpe mit einberechnet, so fällt die Effizienz von 3.6 auf 3.0 ab.

Während der reine Kälteerzeuger günstige Leistungszahlen aufweist, wird die gesamte Effizi-

enz durch die Systemauslegung gemindert. Da die Effizienzminderung durch das System nicht

direkt auf andere Standorte oder Anwendungen übertragen werden kann, dient als Input für

die Simulation nur die Effizienz des Kälteerzeugers. Das Optimierungspotenzial des Systems

wird aber zur Kenntnis genommen, da der schädliche Einfluss einer unzulänglichen Systemein-

bindung auch häufig bei thermisch getriebenen Kälteerzeugern beobachtet wird.

3.3.2 Kaltwassersatz zur Versorgung einer Umluftkühlung


Der zu vermessende Kaltwassersatz, der eine Umluftkühlung bedienen soll, unterscheidet sich

vom Kaltwassersatz der Flächenkühlung hauptsächlich durch sein niedrigeres Temperaturni-

veau im Kaltwasserkreis. Um einen solchen Kaltwassersatz zu vermessen, wurde ein Betrieb

gewonnen, dessen Produktionshalle zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen gekühlt werden

soll. Zusätzlich werden noch einige Büroräume gekühlt, in der Produktionshalle fällt jedoch die

Hauptkühllast an. Diese Kühllast resultiert zum größten Teil aus der Abwärme der eingesetzten

Maschinen und ist nur geringfügig von der Solarstrahlung und der Umgebungstemperatur ab-

hängig. Da die Produktion unter Reinraumbedingungen abläuft, erfolgt das gesamte Luftma-

nagement über eine Lüftung mit speziellen Filtern. Bei niedrigen Außentemperaturen wird die

Kälteleistung teilweise durch die zugeführte Frischluft bereitgestellt. Die Büroräume können in

dieser Zeit über Fensterlüftung temperiert werden, da sie nicht der Reinraumanforderung un-

terliegen. Der Kaltwassersatz wurde im Zuge eines Lüftungsumbaus neu installiert.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 31

Bei der betrachteten Kältemaschine handelt es sich um ein Aggregat von Airwell vom Typ AQH

60 ELN mit einer Nennkälteleistung von 54 kW. Der Kaltwassersatz besitzt einen Kältekreislauf

mit zwei Verdichtern, die sich in ihrer Leistungsgröße geringfügig voneinander unterscheiden.

Somit kann eine Leistungsregelung in den Stufen 0-44-56-100 % realisiert werden. Der Kalt-

wassersatz ist im Außenbereich vor dem Lagerraum aufgestellt. Aus Frostschutzgründen ist

deshalb eine Glykolmischung im Kälteträgerkreislauf nötig. Die prinzipielle Verschaltung ist in

Abbildung 3.3.3 dargestellt.

Abbildung 3.3.3 Systemskizze Einbindung Kaltwassersatz in Kühlsystem Umluftkühlung

Im Gegensatz zum Kaltwassersatz der Flächenkühlung erfolgt bei dieser Anlage keine System-

trennung, d.h. die Kälte wird bis zum Verbraucher über eine Glykolmischung transportiert. So-

mit sind auch keine weiteren Umwälzpumpen mehr nötig und die im Kaltwassersatz verbaute

Pumpe übernimmt die Versorgung aller Verbraucher. Der Leistungsbedarf ergibt sich somit aus

einer typischen lokalen Einsatzsituation und ist somit gegenüber Prüfstandwerten deutlich er-

höht. Der Verzicht auf einen Medienwechsel ist zwar einerseits günstig, da das erzeugte Tempe-

raturniveau nicht unter dem benötigten liegt. Andererseits benötigt die Glykolmischung, vergli-

chen mit Wasser, mehr hydraulische Pumparbeit, da die Viskosität höher und die Wärmekapa-

zität geringer ist. Sobald der Kaltwassersatz eingeschaltet wird, läuft die Umwälzpumpe per-

manent, um alle potenziellen Verbraucher bedienen zu können.

Messtechnik

Messtechnisch wurde der Kaltwassersatz ähnlich ausgerüstet wie der Kaltwassersatz der Flä-

chenkühlung. Für die thermische Leistungsermittlung wurde ebenfalls ein magnetisch indukti-

ves Durchflussmessgerät sowie je ein PT-100 Sensor in Vor- und Rücklauf der Kaltwasserlei-

tung integriert. Von den elektrischen Verbrauchern wurden der primäre Verdichter, der Venti-

lator, die Umwälzpumpe sowie der gesamte Anschluss des Kaltwassersatzes erfasst. Zudem

wurden je ein kombinierter Feuchte- und Temperatursensor in der Produktionshalle und im

Außenbereich des Kaltwassersatzes montiert sowie jeweils ein Drucksensor im Hoch- und Nie-

derdruckteil des Kältekreislaufes.


In den beiden Betriebsjahren 2011 und 2012 wurden Betriebsdaten gesammelt und die Leis-

tung und Effizienz bilanziert. Im Jahr 2011 wurden die Daten ab Frühsommer aufgezeichnet,

vom Jahr 2012 liegen die Daten vollständig vor. Die Daten von 2012 sind in Tabelle 3.3.3 darge-

stellt.

Umwälzpumpe

Kaltwassersatz

Büro

Produktion

Kaltwasserkassette

Lüftungsanlage


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 32

Monat Erzeugte

Kälte

Energie-bedarf Gesamt

Energie-bedarf

Kältebetrieb

Energie-bedarf Pumpe

sEER Gesamt

sEER Kaltwasser-

satz

[kWhth] [kWhel] [kWhel] [kWhel] [-] [-]

Januar 19 31 18 14 0.6 1.1

Februar 74 6 6 5 11.7 41.1

März 203 86 75 36 2.4 4.1

April 214 82 77 35 2.6 4.5

Mai 1063 423 392 183 2.5 4.4

Juni 1873 687 643 261 2.7 4.4

Juli 2915 961 936 325 3.0 4.6

August 1782 618 604 232 2.9 4.6

September 2760 925 909 343 3.0 4.7

Oktober 856 337 327 119 2.5 3.9

November 64 21 20 9 3.0 5.0

Dezember 33 67 61 7 0.5 0.6

Gesamt 11857 4244 4068 1569 2.8 4.4

Tabelle 3.3.3 Übersicht Energieverbrauch und Effizienz Kaltwassersatz zur Versorgung einer Um-luftkühlung

In Tabelle 3.3.3 ist die erzeugte Kälte, die umgesetzte Energie und die Effizienz für die einzelnen

Betriebsmonate dargestellt. Der Effizienzwert sEER des Kaltwassersatzes (Monatswert) wird

aus der umgesetzten Kälte und dem Energiebedarf des Kaltwassersatzes (ohne die Kaltwasser-

pumpe) gebildet. Im sEER Gesamt wird der gesamte Stromverbrauch inklusive der Kaltwasse-

rumwälzpumpe bilanziert. Der Wert Energiebedarf Kältebetrieb entspricht dem gesamten

Energiebedarf abzüglich der Pumparbeit bei Verdichterstillstand.

Die Effizienz im Februar erscheint besonders hoch, allerdings tritt hierbei vornehmlich freie

Kühlung auf. Dadurch wird mit geringem Aufwand eine hohe Kältemenge erzeugt, wodurch die

Effizienz einen hohen Wert erreicht.

Der Kaltwassersatz stellt eine deutlich höhere Nennleistung zur Verfügung als Kältelast anlag.

Die höchste gemessene Kältelast betrug 15 kW, typischerweise betrug die Kältelast bei Betrieb

des Kaltwassersatzes in etwa 10 kW. Somit stellte auch die Leistungsstufe 44 % des Kaltwass-

ersatzes mehr Kälteleistung bereit als vom Gebäudesystem abgenommen wurde. Deshalb zeigte

der Kaltwassersatz ein ausgeprägtes Taktverhalten. Nach kurzer Betriebszeit von ca. 3-5 Minu-

ten pausierte der Kältekreis. Das abgekühlte Wasser des Kaltwassersatzes zirkulierte weiterhin

durch das System, erwärmte sich dabei und wurde erst wieder nach Überschreiten eines Soll-

wertes zuzüglich eines Hysteresewertes erneut abgekühlt.

Es war vom Betreiber der Anlage beim Kauf des Kaltwassersatzes gewünscht, diesen größer zu

dimensionieren als er für die realisierte Kühlanwendung benötigt wurde, um für spätere Erwei-

terungen der gekühlten Flächen Reserveleistung vorzuhalten.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 33

Die Effizienz des Kaltwassersatzes erreichte über das gesamte Jahr mit einem sEER von 4.4 eine

hohe Effizienz. Dies ist zum Teil auch durch die große Dimensionierung zu erklären. Da stets

nur ein Verdichter im Kältekreislauf arbeitet, ist die spezifische Wärmetauscherfläche sehr

groß. Dadurch können verhältnismäßig kleine Temperaturspreizungen an den Wärmetau-

schern realisiert werden. Zudem gleicht sich die Temperatur des Kondensators durch das Takt-

verhalten immer wieder der Außentemperatur an und liegt somit im Durchschnitt niedriger als

bei einem ununterbrochenen Betrieb mit gleichem Leistungsumsatz. Während die großzügige

Dimensionierung einen positiven Effekt auf die Effizienz des Kältekreislaufs hat, ist die Effizienz

des Gesamtsystems hingegen geringer. Dies liegt daran, dass die Umwälzpumpe einen hohen

Energiebedarf hat und permanent in Betrieb ist, wenn der Kaltwassersatz eingeschaltet wird.

Das Gesamtsystem erreicht über das Betriebsjahr betrachtet eine Effizienz von 2.8. Der Be-

triebszeitraum des Kaltwassersatzes wird manuell festgelegt, indem der Kaltwassersatz bei -

subjektiv wahrgenommenem - Bedarf eingeschaltet, und (spätestens) bei Betriebsende wieder

manuell ausgeschaltet wird.

In Abbildung 3.3.4 sind gemessene EER-Werte bei verschiedenen Außentemperaturen aufge-

tragen. Es wurden dabei nur Betriebszeiträume aufgezeichnet, in denen der Kältekreislauf für

mindestens drei Minuten in Betrieb war und die externen Temperaturen um weniger als 1 K

schwankten. Verglichen mit dem sEER des Kaltwassersatzes über das gesamte Jahr, der bei 4.4

lag, erscheinen die Messwerte höher. Die Messwerte bilden eine Punktewolke, trotzdem kann

ein leichter Trend zu höheren EER-Werten bei niedrigen Außentemperaturen erkannt werden.

Bei ca. 20 °C Außentemperatur scheint eine Unstetigkeit in den Messdaten vorzuliegen, da bei

Temperaturen die geringfügig höher als 20 °C sind tendenziell höhere EER-Werte erreicht wer-

den als knapp unter 20 °C. Diese Unstetigkeit ist dem Mindestverflüssigungsdruck geschuldet.

Um die Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckteil aufrecht zu erhalten, wird der Ven-

tilator des Kondensators bei Temperaturen unter 20 °C nur intermittierend betrieben. Über

20 °C hingegen läuft er kontinuierlich. Dies führt dazu, dass der Verflüssigungsdruck bei Tem-

peraturen über 20 °C teilweise geringer ist als unter 20 °C. Somit verringert sich die benötigte

Verdichterarbeit und die Effizienz steigt an.

Abbildung 3.3.4 EER-Werte vom Kaltwassersatz über Außentemperatur

Die Umwälzpumpe benötigte im Jahr 2012 insgesamt 1569 kWh Energie, was ca. 37 % der ins-

gesamt umgesetzten Energie entspricht. Der hohe Anteil erklärt den deutlichen Unterschied der

monatlichen Effizienzwerte ‚sEER Gesamt‘ und ‚sEER Kaltwassersatz‘. Ein Teil der eingesetzten

Energie wird als Verlustwärme am Asynchronelektromotor der Umwälzpumpe frei und an die


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 34

Umgebung abgegeben. Der Wirkungsgrad von Asynchronmotoren liegt üblicherweise zwischen

80-85 %, d.h. über 80 % der umgesetzten Elektroenergie werden vom Elektromotor in die Um-

wälzpumpe eingekoppelt. Diese Energie wird von der Umwälzpumpe in hydraulische Arbeit

und Verlustwärme umgesetzt. Die hydraulische Arbeit, die für den Fluidtransport benötigt

wird, wird an den Druckverlusten des Kaltwassersystems ebenfalls vollständig in Wärme um-

gesetzt. Somit werden also insgesamt ca. 80-85 % der Elektroenergie der Umwälzpumpe als

Wärme in den Kaltwasserkreislauf eingebracht und wirken wie eine Kühllast. Diese Kälte muss

vom Kaltwassersatz zusätzlich zur Gebäudelast erzeugt werden.

Da die eingesetzte Umwälzpumpe mit der Größe des Kaltwassersatzes skaliert, ergibt sich für

die betrachtete Anwendung ein energetisch ungünstiges Bild. Um die gewünschte Temperatur-

spreizung zwischen Vor- und Rücklauf im Kaltwasser einstellen zu können, musste der umge-

wälzte Volumenstrom angepasst werden. Um möglichst viele Anwendungsfälle mit einer Pum-

pe bedienen zu können, ist die mögliche Druckerhöhung der Umwälzpumpe für den maximalen

Volumenstrom, d.h. bei Einsatz des Kaltwassersatzes unter Volllast, sehr groß. Um den Volu-

menstrom zu reduzieren, wurde der hydraulische Widerstand in der Verrohrung künstlich er-

höht. Somit wird ein großer Teil der erzeugten hydraulischen Arbeit in Wärme umgesetzt.

Da kleinere Kaltwassersätze mit leistungsschwächeren Umwälzpumpen ausgeliefert werden,

hätte die Auswahl eines kleineren Kaltwassersatzes auch einen geringeren Umwälzpumpen-

energieaufwand zur Folge gehabt. Dadurch wäre zum einen die benötigte Kältemenge geringer

ausgefallen, zum anderen wäre auch die Effizienz des Gesamtsystems wegen der verringerten

Neigung zum Taktbetrieb erhöht worden.

Da der Kaltwassersatz auch an Tagen mit niedrigen Außentemperaturen Kälte erzeugte, wird

nachfolgend die Verteilung von Kälteerzeugung und Energieumsatz nach Außentemperatur ge-

gliedert dargestellt. Der Energieumsatz bezieht sich auf die Energie des Kaltwassersatzes ohne

die Umwälzpumpe.

Abbildung 3.3.5 Verteilung der erzeugten Kälte (links) und des gesamten Energiebedarfs (rechts) je-

weils nach Außentemperatur

In Abbildung 3.3.5 ist die bereitgestellte Kälte und der dazugehörige Energiebedarf nach Au-

ßentemperaturbereichen gestaffelt dargestellt. Die prozentual umgesetzte Energiemenge ent-

spricht ungefähr auch dem erzeugten Kälteanteil. Ein deutlicher Einfluss der niedrigen Außen-

temperaturen auf die Effizienz der Kälteerzeugung ist nicht zu sehen. Des Weiteren ist ersicht-

lich, dass ca. 60 % der erzeugten Kälte unter 20 °C Außentemperatur und ca. 30 % der erzeug-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 35

ten Kälte sogar unter 15 °C bereitgestellt werden. Da die Solltemperatur im Produktionsraum

bei ca. 20 °C liegt, könnte durch eine erhöhte Frischluftmenge in der Lüftung ein Anteil von bis

zu 60 % an der Kälteerzeugung und somit auch Elektroenergie eingespart werden.


Da das Unternehmen, bei dem der Kaltwassersatz vermessen wurde, bereits seit einigen Jahren

eine PV-Anlage betreibt, deren Einspeisedaten zur Verfügung standen, wurden die Messdaten

auch auf eine Korrelation zwischen PV-Ertrag und Leistungsbezug des Kaltwassersatzes unter-

sucht. Dies ist besonders interessant, da das Unternehmen die Leistung seines bestehenden

Stromanschlusses wegen des neuen Kaltwassersatzes unter hohem Kostenaufwand verstärken

lassen musste.

Die Peak-Leistung der PV-Anlage (50 kWp) liegt weit über der maximalen elektrischen Leistung

des Kaltwassersatzes (31 kW). Die tatsächlich benötigte elektrische Energie ist aufgrund des

permanenten Teillastbetriebs nochmals geringer, als die elektrische Nennleistung erwarten

lässt. Deshalb wird als Bewertungsgröße für den Einsatz einer solarelektrischen Kühlung das

Verhältnis von Solarertrag und benötigter Antriebsenergie gebildet.

Datum Energie-bedarf

Kälte Laufzeit Pumpe

Ø Kälte-last

Ø Außen-temperatur


Max. Außen-temperatur


PV-Ertrag

PV-Ertrag zu KWS

Aufwand

[kWhel] [kWhth] [h] [kW] [°C] [°C] [kWhel] [-]

18.06.2012 50 118 9.9 12.0 29 33 313 6.3

30.07.2012 49 158 11.0 14.4 18 22 138 2.8

31.07.2012 52 161 10.9 14.7 21.5 25 276 5.3

06.08.2012 75 225 16.9 13.3 21 26 141 1.9

07.08.2012 70 212 16.8 12.6 21 24.5 206 2.9

08.08.2012 69 207 16.7 12.4 20 22 263 3.8

09.08.2012 55 156 14.4 10.9 20 23 240 4.4

10.08.2012 56 155 15.0 10.4 20 23 191 3.4

03.09.2012 37 108 9.4 11.5 17 19 69 1.9

04.09.2012 40 122 9.5 12.8 18.5 21 75 1.9

05.09.2012 38 110 9.6 11.5 19 22 119 3.2

06.09.2012 66 202 16.1 12.6 16 17.5 47 0.7

07.09.2012 37 107 9.5 11.3 17 22 245 6.7

10.09.2012 65 180 15.9 11.3 22 26 221 3.4

11.09.2012 72 214 16.0 13.4 22.5 27 210 2.9

12.09.2012 73 239 16.0 15.0 11.5 15.5 28 0.4

13.09.2012 45 143 10.1 14.2 10 11.5 33 0.7

14.09.2012 42 127 9.9 12.9 13 16 218 5.2

Tabelle 3.3.4 Kältelast und Solarertrag bei verschiedenen Außentemperaturen


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 36

In Tabelle 3.3.4 sind unter anderem die bereitgestellte Kälte, die durchschnittliche Kältelast, die

Außentemperatur sowie der Solarertrag und das Verhältnis von Solarertrag zu Energie für Käl-

teerzeugung dargestellt. Dass diese Werte stark variieren, zeigt, dass keine Korrelation zwi-

schen Solarertrag, welcher proportional zur Solarstrahlung ist, und benötigter Kälteleistung be-

steht.

Betrachtet man beispielsweise den 13.09.2012 und 14.09.2012, so haben der Kältebedarf und

die Außentemperaturen an beiden Tagen vergleichbare Werte. Der Solarertrag unterscheidet

sich hingegen deutlich. Ein ähnliches Verhalten ist auch am 30.07. und 31.07.2012 zu beobach-

ten: Erzeugte Kälte, Kältelast und Außentemperaturen sind vergleichbar, der Solarertrag vari-

iert aber deutlich.

Des Weiteren ist auch kein Zusammenhang zwischen Außentemperatur und Kältebedarf zu

verzeichnen. Dies sieht man beispielsweise beim Vergleich von 06.08.2012 und 12.09.2012. An

beiden Tagen wird bei gleicher Betriebszeit eine ähnliche Menge Kälte umgesetzt, die Tempera-

turen unterscheiden sich aber deutlich. Dies spricht für einen dominanten Anteil der inneren

Lasten am gesamten Kühlbedarf und einen geringen Einfluss der Umgebungsbedingungen auf

die Kühlung.

Die Messwerte zeigen, dass der Kältebedarf weder signifikant von der Solarstrahlung noch der

Außentemperatur sondern von inneren Lasten abhängt. Der Verzicht auf eine Netzverstärkung

wäre in diesem speziellen Fall jedoch möglich gewesen, da die PV-Anlage eine höhere Peakleis-

tung hat als der Kaltwassersatz und somit auch bei schlechter Korrelation zumeist mehr Solar-

ertrag liefert als der Kaltwassersatz benötigt. Prinzipiell wäre die Koppelung von PV und Käl-

teerzeugung bei dieser betrachteten Anwendung aber nicht sinnvoll, da eine PV Anlage, deren

Leistungsgröße auf die Kälteanlage dimensioniert ist, nur einen geringen Teil der Kühlanforde-

rung abdecken könnte.

Fazit

Ebenso wie beim Kaltwassersatz der Flächenkühlung erreicht der reine Kälteerzeuger über ein

gesamtes Betriebsjahr eine gute Effizienz mit einem sEER KWS von 4.4. Bezieht man die Um-

wälzpumpe mit in die Betrachtung ein, so erscheint die erreichte Effizienz deutlich schlechter

und die Gesamteffizienz des Systems erreicht nur noch einen sEER Gesamt von 2.8. Ein direkter

Vergleich mit dem Kaltwassersatz der Flächenkühlung kann nicht gezogen werden, da die Um-

wälzpumpe in diesem Fall auch die Kälteverteilung mit übernimmt. Allerdings liegt der Ver-

brauch der Kaltwasserpumpe bei 37 % und somit annähernd in der gleichen Größenordnung

wie der des gesamten restlichen Kaltwassersatzes einschließlich Verdichter. Die Nennkälteleis-

tung des Kaltwassersatzes ist in etwa um den Faktor 4 höher als die höchste Kältelast, was sich

in einer hohen Taktrate des Kaltwassersatzes sowie dem erhöhten Anteil der Pumpenergie am

gesamten Energieverbrauch äußert. Die verbaute Kälteleistung scheint im momentanen Aus-

bauzustand der Kälteverteilung als deutlich überdimensioniert. Während der Kälteerzeuger ei-

ne gute Performance aufweist, bietet das Gesamtsystem noch Optimierungspotenzial.

Da in dieser Anwendung die inneren Lasten und nicht die Solarstrahlung den Kühlbedarf be-

stimmen, erscheint eine solare Kühlung in diesem Anwendungsfall nicht günstig.

Der größte Teil der Kälte wird für die Klimatisierung der Produktion benötigt, deren Solltempe-

ratur bei 20 °C liegt. Da ca. 60 % der umgesetzten Kälte bei Außentemperaturen unter 20 °C er-

zeugt wird, könnte ein erhöhter Frischluftanteil in der Lüftungsanlage den gesamten Energie-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 37

bedarf deutlich verringern. Ein großes Optimierungspotenzial liegt also, wie auch bei dem be-

trachteten Kaltwassersatz für die Flächenkühlung, im Gesamtsystem.

3.3.3 Mono-Split-Gerät „Markenanbieter“


Für das zu vermessende System „Mono-Split-Gerät eines Markenanbieters“ wurde dem ZAE

Bayern eine Gerätekombination von der Daikin Niederlassung München zur Verfügung gestellt.

Damit wurde ein Büroraum im Institutsgebäude des ZAE Bayerns ausgestattet. Durch die direk-

te Installation am Forschungsinstitut ergaben sich einige Vorteile. Zum einen war es schwierig,

ein geeignetes Messobjekt im Feld zu akquirieren, da solche Geräte häufig von Privatpersonen

genutzt werden. Zudem war für die Vermessung ein Eingriff in den Kältekreislauf notwendig.

Zum anderen wurde der Büroraum, der mit dem Mono-Split-Gerät ausgerüstet wurde, zuvor

von einem Deckensegel gekühlt. Das Deckensegel erhielt seine Kälte zum Teil von einer solar-

thermisch betriebenen Absorptionskältemaschine. Somit konnte auch das subjektive Nutzer-

empfinden bezüglich Kühlleistung und Komfort zwischen beiden Systemen verglichen werden.

Um das benötigte Gerät auswählen zu können, wurde eine Kühllastberechnung nach VDI 2078

angestellt. Dabei wurde eine maximale Kühllast von knapp 5 kW berechnet. Daraufhin wurde

eine Gerätekombination mit einem Inverter geregelten Außengerät vom Typ RKS50J und einem

Innengerät für Kanaleinbauten des Typs FDKS50C gewählt. Diese Gerätekombination hat eine

Nennkälteleistung von 5 kW. Das Innengerät, welches eigentlich für den Einbau in Lüftungska-

näle gedacht ist, wurde auf Wunsch der Nutzer gewählt. Um die klimatisierte Luft ohne Zuger-

scheinung zu verteilen, wurden am Auslass des Innengerätes drei Luftverteilschläuche ange-

schlossen. Diese Schläuche wirken ähnlich wie Wasserschläuche für Tröpfchenbewässerung

und verteilen durch ihren hohen Ausström-Druckverlust die zugeführte Luft sehr gleichmäßig

über ihre gesamte Länge.

Der klimatisierte Büroraum befindet sich im zweiten und somit höchsten Geschoss des Gebäu-

des. Das Außengerät der Klimaanlage wurde über dem Innengerät auf dem Flachdach des Ge-

bäudes installiert. Die Kältemittelleitung wurde durch die Außenwand geführt. Die Leitungs-

länge von Druck- und Sauggasleitung beträgt in etwa jeweils vier Meter.

Abbildung 3.3.6 zeigt das montierte Innengerät am ZAE Bayern. Das Gerät ist auf einem Träger-

gestell montiert und hängt unterhalb der Kühldecke. Die Kühldecke ist während der Kühlperio-

de abgeschaltet, so dass die gesamte Kühllast von der Mono-Split-Klimaanlage gedeckt werden

muss. Am Auslass des Innengeräts ist eine Verblechung installiert, welche die ausströmende

Luft in die drei Luftschläuche leitet. Dadurch strömt die gesamte Luft sehr gleichmäßig über die

gesamte Raumlänge aus der Luftverteilung. Nach der subjektiven Einschätzung der Nutzer

wurde ein behagliches Raumklima hergestellt; Zugerscheinungen wurden nicht wahrgenom-

men.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 38

Abbildung 3.3.6 Innengerät mit Luftschläuchen der Mono-Split-Klimaanlage Typ Markengerät

Messtechnik

Die thermische Leistungsbilanzierung wird im Kältekreislauf vorgenommen. Dazu wurden die

Saug- und Druckleitung mit jeweils einem Druck- und einem Temperatursensor ausgestattet.

Die Temperatursensoren sind im Kältekreislauf eingelötet und werden so direkt vom Kältemit-

tel umströmt. Die Messstellen wurden so gewählt, dass zum einen die Enthalpie des Kältemit-

tels nach dem Verdampfer und zum anderen nach dem Kondensator ermittelt werden kann. Zu-

sätzlich ist ein Coriolis-Massendurchfluss-Messgerät in der Hochdruckleitung zwischen Kon-

densator und Expansionsventil verbaut. Über die Enthalpiedifferenz und den Massenstrom

kann so die thermische Leistung bestimmt werden. Zusätzlich wird der elektrische Energiebe-

zug der gesamten Klimaanlage gemessen. Eine Aufteilung des Energiebedarfs nach Verdichter

und Ventilatoren wird nicht vorgenommen. Des Weiteren werden noch Temperatur- und Luft-

feuchte des klimatisierten Raumes sowie der Umgebungsluft aufgezeichnet. Der Messaufbau ist

in Abbildung 3.3.7 skizziert.

Abbildung 3.3.7 Schema Messtechnikaufbau direktverdampfendes System


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 39


Das Mono-Split-Klimagerät ging erst im Jahr 2012 in Betrieb, somit liegen die Messdaten nur

für dieses Betriebsjahr ab dem 25.05.2012 vor und sind in Tabelle 3.3.5 abgebildet.

Monat Erzeugte

Kälte Energie-bedarf

Ø Verdichter- starts pro Tag

sEER

[kWh] [kWh] [-] [-]

Mai 27 6 0.2 4.5

Juni 500 116 4.3 4.3

Juli 298 72 3.5 4.2

August 283 68 1.8 4.1

September 47 18 0.2 2.6

Oktober 0 9 0.0 0.0

November 1 14 0.0 0.1

Dezember 0 18 0.0 0.0

Gesamt 1157 321 0.8 3.6

Tabelle 3.3.5 Energiebilanz des Mono-Split-Gerätes Markenanbieter

In den Betriebszeiten von Juni bis August wird die meiste Energie umgesetzt, der dabei erreich-

te monatliche sEER liegt konstant über 4. Der sEER über das gesamte Jahr liegt mit 3.6 deutlich

niedriger. Dies liegt vor allem daran, dass im Herbst und Winter Energie umgesetzt wird, ohne

dass Kälte erzeugt wird. Der Anteil der elektrischen Energie der während des Betriebs der Käl-

temaschine umgesetzt wird, beträgt ca. 258 kWh, 30 kWh werden im Standby-Betrieb benötigt

und ca. 34 kWh für die Ölsumpfheizung. Die Ölsumpfheizung springt bei Temperaturen unter

10 °C an, um Betriebsfähigkeit des Verdichters jederzeit zu gewährleisten. Da es sich bei dieser

Installation um eine reine Kühlanwendung handelt, hätte die Kälteanlage nach der Kühlperiode

auch vollständig vom Stromnetz getrennt werden können. Allerdings wurde dies bewusst ver-

mieden, um den Energiebedarf im Stillstand bei niedrigen Temperaturen ebenfalls mit zu erfas-

sen. Der sEER des reinen Kälteanlagenbetriebs liegt somit bei 4.48. Wäre die Klimaanlage Ende

September abgeschaltet worden, so läge der sEER (inklusive der Standby-Energie) bei 4.18.

Die durchschnittlichen Verdichterstarts pro Tag sind relativ gering und zeigen den Vorteil der

Inverter geregelten Kältemaschine. An durchgängig warmen Sommertagen wird das Kälteag-

gregat häufig nur einmal eingeschaltet und läuft dann geregelt bis zum Büroschluss durch.

Insgesamt ist der Energiebedarf tendenziell als niedrig anzusehen, was zu einem großen Teil

daran liegt, dass die Nutzer selbst über den Einsatz der Klimaanlage entschieden und die Soll-

temperatur auf einen relativ hohen Wert von 25 °C einstellten. Bei Außentemperaturen unter

25 °C wurde zumeist über Fensterlüftung gekühlt, weshalb die Anlage nicht häufig in Betrieb

war. Somit ergeben sich für die Messdaten zwei unterschiedliche Effekte. Zum einen findet

kaum Betrieb unter 25 °C Außentemperatur statt, d.h. die Teillastpunkte mit besonders hoher

Effizienz werden kaum angefahren. Zum anderen profitiert die Maschine von der hohen Soll-

temperatur, wodurch der nötige Temperaturhub geringer ausfällt.

Nachfolgend ist ein Messtag mit Dauerbetrieb der Klimaanlage dargestellt. Bei diesem Tag han-

delt es sich um einen Tag ohne Bürobetrieb, d.h. es gibt keine inneren Lasten. Die Klimaanlage


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 40

war nur für Versuchszwecke in Betrieb, deshalb wurde auch die Solltemperatur etwas niedriger

gestellt als ansonsten von den Nutzern gewünscht.

Abbildung 3.3.8 zeigt den tageszeitlichen Verlauf von Kälteleistung, elektrischer Leistungsauf-

nahme, EER, Raumtemperatur und Außentemperatur. Während die Kälteleistung und Raum-

temperatur annähernd konstant bleiben, steigt die Außentemperatur bis zum Nachmittag um

ca. 15 K an und fällt wieder um ca. 5 K ab. Der Leistungsbezug erhöht sich mit steigender Au-

ßentemperatur durch den erhöhten Temperaturhub. Die Effizienz, ausgedrückt durch den Wert

EER, fällt mit steigendem Leistungsbezug ab, da die Kälteleistung ja konstant bleibt. Während

der EER morgens Werte über 8-9 erreicht, fällt er während der Nachmittagsstunden auf Werte

zwischen 4-5 ab. Diese Werte sind aber immer noch sehr günstig, insbesondere da die Außen-

temperatur 30 °C deutlich übersteigt. Allerdings wird die Klimaanlage auch nur in ihrer

kleinstmöglichen Teillaststufe von ca. 2 kW (~40% der Nennlast) betrieben, wodurch sich spe-

zifisch große Wärmetauscherflächen ergeben.

Abbildung 3.3.8 Tagesverlauf EER und Leistungsaufnahme eines leistungsgeregeltes Mono-Split-Geräts

im Dauerbetrieb

Der übliche Betrieb während der Büronutzungszeit ist beispielhaft in Abbildung 3.3.9 darge-

stellt.

Abbildung 3.3.9 Tagesverlauf EER und Leistungsaufnahme eines leistungsgeregeltes Mono-Split-Geräts

im Normalbetrieb


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 41

Die Abbildung 3.3.9 zeigt wie Abbildung 3.3.8 den Verlauf von elektrischer und thermischer

Leistung, die Effizienz und die Lufttemperatur im Raum und der Umgebung. Allerdings unter-

scheiden sich die Verläufe der einzelnen Messwerte vom Konstantbetrieb. Die Raumlufttempe-

ratur liegt bereits am Morgen über 25 °C und steigt bis zum Mittag auf ca. 27 °C an. Dann wird

die Klimaanlage manuell gestartet und die Raumlufttemperatur wieder auf etwa 25 °C abge-

kühlt. Der Sollwert der Klimaanlage liegt also deutlich höher als er beim Konstantbetrieb ge-

wählt wurde. Da zu Beginn des Klimaanlagenbetriebs die Raumtemperatur deutlich zu hoch ist,

leistet die Klimaanlage zunächst Nennleistung. Anschließend wird die Kälteleistung reduziert,

um letztlich auf Minimallast durchzulaufen. Die aufgenommene elektrische Leistung reduziert

sich überproportional zur Kälteleistung, weshalb die Effizienz mit abnehmender Leistung steigt.

Im konstanten Betrieb am Nachmittag werden letztlich EER-Werte nahe 6 erreicht.


In Tabelle 3.3.6 ist die tägliche Kälteerzeugung, der kumulierte Solarertrag sowie die durch-

schnittliche und maximale Tagestemperatur im Monat Juni 2012 aufgetragen. Dabei sind nur

die Werktage berücksichtigt, da am Wochenende kein Bürobetrieb und somit auch kein Kälte-

bedarf vorherrschte.

Für die Tage, an denen die erzeugte Kälte 10 kWh übersteigt wurde das Verhältnis von Glo-

balstrahlung zu aufgewandter Elektroenergie gebildet. Dieser Wert schwankt zwischen 0.5-2.2.

Dabei muss beachtet werden, dass zwischen Globalstrahlung und Photovoltaikertrag in etwa

der Faktor 7 liegt, d.h. es wird die 7fache Fläche an Photovoltaik benötigt um die gleiche elektri-

sche Energie zu erzeugen, die als Globalstrahlung pro Fläche zur Verfügung steht. Entscheidend

für eine Eignung zur solarelektrischen Klimatisierung ist hierbei nicht eine Verhältnis von Glo-

balstrahlung zu elektrischen Bedarf nahe am Wert 1 sondern ein möglichst geringe Schwan-

kung um einen beliebigen Wert. Die Eignung zur solaren Klimatisierung beschränkt sich nicht

auf solarelektrische Klimatisierung, auch solarthermische Klimatisierung wäre möglich. Hierbei

ist das Verhältnis von Kältebedarf zu Globalstrahlung zu beachten, welches ebenfalls eine mög-

lichst geringe Schwankung um einen fixen Wert aufweisen sollte.

Tage mit hohen Kältebedarf gehen bei dieser Installation stets mit hohen maximalen Außen-

temperaturen und gleichzeitig hohen Einstrahlungswerten einher. Für eine solare Klimatisie-

rung würde sich diese Anwendung also gut eignen, da bei entsprechender Dimensionierung der

Solaranlage die Kälte stets zu einem guten Teil aus Solarenergie erzeugt werden könnte. Aller-

dings ist der Umkehrschluss, hohe Solarstrahlung führe zu hohem Kältebedarf, nicht zulässig.

Ein solarelektrisches System führt somit teilweise zu elektrischer Netzeinspeisung und belastet

dieses hierdurch. Alternativ muss ein solarthermisches System durch hydraulische Maßnah-

men vor Überhitzung geschützt werden, da die Solarwärme ebenfalls nicht immer direkt ge-

nutzt werden kann.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 42

Datum Elektr.

Energie-bedarf

Kälte-arbeit

sEER (Tag)

Ø T T_max Tägliche Global-

strahlung

Global-strahlung/

Elektrischer Bedarf

[kWhel] [kWhth] [-] [°C] [°C] [kWh/m²] [1/m²]

01.06.2012 3.0 17.6 5.79 14.6 17.9 5.0 1.6

04.06.2012 0.9 0.4 0.45 13.1 17.5 2.5 -

05.06.2012 0.3 - - 10.1 13.4 5.5 -

06.06.2012 0.2 - - 12.4 19.6 3.8 -

07.06.2012 0.2 - - 17.5 24.0 5.6 -

08.06.2012 0.2 - - 15.6 18.5 2.3 -

11.06.2012 0.8 3.5 4.17 13.3 19.2 4.7 -

12.06.2012 0.2 - - 12.2 17.5 3.2 -

13.06.2012 0.5 2.2 4.59 13.0 18.1 4.7 -

14.06.2012 0.2 - - 14.0 19.6 7.2 -

15.06.2012 4.6 17.0 3.72 17.9 27.1 7.8 1.7

18.06.2012 5.5 21.8 3.99 22.6 30.6 8.1 1.5

19.06.2012 7.7 26.9 3.51 21.5 26.5 7.4 1.0

20.06.2012 7.5 35.5 4.75 20.4 26.0 4.1 0.5

21.06.2012 7.8 40.0 5.13 20.0 25.7 6.8 0.9

22.06.2012 2.5 13.9 5.64 17.8 22.5 5.3 2.2

25.06.2012 1.3 5.5 4.30 15.0 19.1 5.3 -

26.06.2012 0.2 - - 15.4 21.5 6.6 -

27.06.2012 6.9 37.4 5.44 18.2 25.1 6.5 0.9

28.06.2012 6.3 32.2 5.11 20.8 27.5 7.2 1.1

29.06.2012 9.6 40.8 4.26 22.6 30.0 7.0 0.7

Tabelle 3.3.6 Kältebereitstellung, Solarstrahlung und Temperatur

Fazit

Trotz sorgfältiger Auslegung stellte sich das Kälteaggregat für die Einzelraumklimatisierung als

zu groß dar. Dies wurde zum Teil dadurch bedingt, dass die von den Nutzern gewünschte Soll-

temperatur im Raum deutlich über dem Auslegungswert lag. Deshalb wurde die Klimaanlage

überwiegend in Teillast betrieben. Da das Kälteaggregat aber über eine leistungsgeregelte Au-

ßeneinheit verfügt, konnte die Klimaanlage trotzdem mit geringer Taktfrequenz betrieben

werden. Ebenso wirkte sich die spezifisch große Wärmetauscherfläche im Teillastbetrieb güns-

tig auf die Effizienz aus. So wurde während der Kühlsaison eine Arbeitszahl von knapp 4,2 er-

reicht. Da die Installation sehr unkompliziert und in den meisten Fällen anwendbar ist, schnei-

det bei dezentralen Installationen und im kleinen Leistungsbereich die Monosplit-Klimaanlage

sehr gut ab. Durch die zugluftfreie Kälteeinbringung und die Luftentfeuchtung, welche bei der

zuvor betriebenen Flächenkühlung nicht gegeben war, war der subjektive Eindruck der Nutzer


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 43

sehr positiv. Da der Kältebedarf immer mit hoher Solarstrahlung zusammenfiel, wäre der Ein-

satz einer solaren Klimatisierung gut möglich. Bei einer solarelektrischen Klimatisierungsvari-

ante würde das Netz - eine entsprechende Dimensionierung der Photovoltaikanlage vorausge-

setzt - im Kältebetrieb kaum belastet. Da aber solare Einstrahlung nicht zwangsweise zu einem

Klimatisierungsbedarf führt, kann durch Rückspeisung von Energie in das Leitungsnetz nicht

von einer belastungsfreien Betriebsführung ausgegangen werden. Solarthermische Systeme

verhalten sich ähnlich. Entsprechend dimensioniert kann im Kühlfall die Antriebsenergie

hauptsächlich aus Solarenergie gewonnen werden, bei Solarstrahlung ohne Kühlbedarf muss

aber eine Möglichkeit für den Überhitzungsschutz der Solaranlage realisiert sein, da die Wär-

meabnahme nicht garantiert werden kann.

3.3.4 Kühlzelle zur Lebensmittelkühlung


Für die zu vermessende Kühlzelle wurde ein Getränkemarkt im Münchner Umland als Partner

gewonnen. Im Getränkemarkt wurde ein Kühlzelle aufgebaut, in der ein Kälteaggregat mit 2 kW

Nennleistung eingesetzt wird. Für die Kälteerzeugung wurde ein Huckepack-Kälteaggregat

verwendet, welches sich bereits im Besitz des Kältemarktes befand. Deshalb fand keine Dimen-

sionierung des Kälteaggregates für die Größe der Kühlzelle statt.

Die Kühlzelle wurde im Verkaufsraum des Getränkemarktes aufgestellt, wodurch sich über das

gesamte Jahr eine relativ geringe Schwankung der Umgebungstemperatur ergab. Insofern ar-

beitete die Kühlzelle stets bei sehr ähnlichen Betriebsbedingungen. Durch die Innenaufstellung

wird der Kühlraum nicht durch Solarstrahlung aufgeheizt. Somit ergibt sich die Kühllast über-

wiegend durch den Warenumschlag.

Dass in der vermessenen Kühlzelle Getränke und nicht etwa Fleisch oder Frischware gekühlt

wurden, erwies sich insofern als günstig, als im ersten Betriebsjahr durch den Messtechnikauf-

bau eine Kältemittelleitung barst. In Folge davon fiel die Kühlung für ca. 48 h aus. Da es sich bei

den gekühlten Getränken um Wasser, Softdrinks und Bier handelte, wurden die Produkte durch

die Unterbrechung der Kühlkette jedoch nicht beschädigt, so dass kein weiterer finanzieller

Schaden entstand.

Messtechnik

Die thermische Leistungsbilanzierung wird im Kältekreislauf vorgenommen. Dazu wurden die

Saug- und Druckleitung mit jeweils einem Druck- und einem Temperatursensor ausgestattet.

Die Temperatursensoren sind im Kältekreislauf eingelötet und werden so direkt von Kältemit-

tel umströmt. Die Messstellen wurden so gewählt, dass zum einen die Enthalpie des Kältemit-

tels nach dem Verdampfer und zum anderen nach dem Kondensator ermittelt werden kann. Zu-

sätzlich ist ein Coriolis-Massendurchfluss-Messgerät in der Hochdruckleitung zwischen Kon-

densator und Drosselventil verbaut. Über die Enthalpiedifferenz und den Massenstrom kann so

die thermische Leistung bestimmt werden.

Zusätzlich wird der elektrische Energiebezug der gesamten Kälteanlage gemessen. Eine Auftei-

lung des Energiebedarfs nach Verdichter und Ventilatoren wird nur indirekt vorgenommen.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 44

Des Weiteren werden noch Temperatur- und Luftfeuchte der Kühlzelle und des Aufstellraumes

aufgezeichnet. Der Messaufbau ist dem Aufbau des Mono-Split-Gerätes sehr ähnlich, welches in

Abbildung 3.3.7 skizziert ist.


Die Vermessung der Kühlzelle startete Mitte 2011. Kurze Zeit später barst eine Kältemittellei-

tung als Folge von Materialermüdung. Durch den zusätzlichen Einbau eines Drucksensors in die

Kältemittelhochdruckleitung hatte sich ein schwingendes System ergeben, das durch die Vibra-

tionen des Hubkolbenverdichters angeregt wurde, so dass die Kältemittelleitung nach kurzer

Betriebszeit undicht wurde. Bei der Reparatur gelangten Fremdgase in den Kältekreislauf, wes-

halb die Messwerte in der folgenden Betriebsphase während des Sommers 2011 nicht aussage-

kräftig waren. Nach einer Neubefüllung im Herbst 2011 konnten die Messdaten für eine Bewer-

tung herangezogen werden. Nachfolgend werden in Tabelle 3.3.7 die Messdaten von November

2011 bis Oktober 2012 betrachtet.

Monat Erzeugte

Kälte Energie-bedarf

ØVerdichterstarts pro Tag

sEER

[kWhth] [kWhel] [-] [-]

November 210 207 140 1.0

Dezember 204 208 128 1.0

Januar 201 207 137 1.0

Februar 156 180 137 0.9

März 222 216 133 1.0

April 232 216 125 1.1

Mai 324 258 130 1.3

Juni 391 281 133 1.4

Juli 414 295 131 1.4

August 452 309 138 1.5

September 354 265 141 1.3

Oktober 279 238 131 1.2

Gesamt 3438 2880 Ø134 1.2

Tabelle 3.3.7 Energiebilanz der Kühlzelle

Über ein Betriebsjahr erreicht die Kühlzelle einen sEER von 1.2. Im Nennbetriebspunkt ist der

EER mit einem Wert von 2 ausgewiesen. Aus thermodynamischer Sicht ist der EER-Wert sehr

gering, für Geräte dieser Bauart und Leistung aber üblich. Der sEER ist deutlich geringer, was

hauptsächlich dem Dauerbetrieb des Verdampferventilators geschuldet ist. Dieser benötigt

auch Energie, wenn der Verdichter still steht und keine Kälte erzeugt wird. Die umgesetzte Käl-

te erreicht in den Monaten Juni – August in etwa den doppelten Wert wie im Winterhalbjahr.

Die Anzahl der durchschnittlichen Verdichterstarts pro Tag variiert über die verschiedenen

Monate kaum und lässt keine Korrelation mit der umgesetzten Kälteenergie erkennen. Dies

liegt daran, dass das Kälteaggregat für die Kühlzelle deutlich überdimensioniert ist und somit

die innere Last des Verdampferventilators sehr häufig zu einem Betrieb des Verdichters führt.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 45

Das Kälteaggregat wurde im Modus „hohe Luftfeuchte im Innenraum“ betrieben. Dabei läuft der

Verdampferventilator permanent und nicht nur bei Kältebetrieb, um den Wärmeübergang am

Verdampfer zu verbessern. Da beim Kältebetrieb ein Teil der Luftfeuchte des Kühlraums am

Verdampfer kondensiert, sinkt die Luftfeuchte ab. Durch den permanenten Ventilatorbetrieb

wird ein Teil der kondensierten Luftfeuchte der Luft wieder zugeführt und die relative Luft-

feuchte bleibt hoch. Dies ist bei offen verpackten Kühlgütern wie beispielsweise Obst oder Ge-

müse erwünscht, um die Qualität, die Frische und das Gewicht des Produktes zu erhalten. Bei

der untersuchten Anwendung, bei der luftdicht verpackte Getränke gekühlt werden, hat die

Luftfeuchte keinen Einfluss auf die Produktqualität. Somit wäre der dauerhafte Ventilatorbe-

trieb unnötig gewesen. Da aber in der Planung des Projektes EVASOLK vereinbart wurde, dass

von den Instituten kein Einfluss auf die Betreiber der Kälteanwendungen genommen wird,

wurde die Messung mit einem dauerhaften Ventilatorbetrieb durchgeführt.

Die Kombination eines zu großen Kälteaggregates mit einem dauerlaufenden Verdampferventi-

lator führte dazu, dass ein großer Teil der erzeugten Kälte für die innere Last des Ventilators

benötigt wurde. Dabei wurde der Innenraum stets relativ schnell über die Solltemperatur er-

wärmt, was zu einem starken Taktverhalten des Kälteaggregates beitrug. Im Winterhalbjahr

wurde beispielsweise mehr als 50 % der erzeugten Kälte für die Rückkühlung der vom Ventila-

tor erzeugten Wärme benötigt.

Im Dezember 2012 wurde der Betriebsmodus „hohe Luftfeuchte im Innenraum“ abgeschaltet

und das Kälteaggregat für 6 Tage vermessen. Dieser Zeitraum wurde mit dem gleichen Zeit-

raum des Vorjahres verglichen. Der Energiebedarf der gesamten Kühlzelle sank unter 25 % des

Vorjahreswertes. Die Anzahl der Verdichterstarts ging ebenfalls signifikant zurück. Die Messer-

gebnisse dieses Vergleiches sind in Tabelle 3.3.8 dargestellt. Da diese Einsparung den theoreti-

schen Überlegungen entsprach bzw. diese sogar übertraf, wurde dem Betreiber empfohlen, die

Kühlzelle zukünftig dauerhaft ohne permanenten Ventilatorlauf zu betreiben.

Datum Energiebedarf Laufzeit Verdichterstarts

[kWhel] [h] [-]

Ventilator läuft konstant (hohe Luftfeuchte)

01.12.2011 6.5 3.4 122

02.12.2011 6.8 3.8 127

03.12.2011 6.5 3.4 115

04.12.2011 6.6 3.4 118

05.12.2011 6.5 3.3 115

06.12.2011 6.9 3.8 122

Ventilator läuft nur bei Kältebereitstellung (niedrige Luftfeuchte)

01.12.2012 2.0 2.1 41

02.12.2012 1.5 1.6 42

03.12.2012 1.6 1.7 45

04.12.2012 1.7 1.8 64

05.12.2012 2.5 2.7 62

06.12.2012 1.5 1.6 44

Tabelle 3.3.8 Vergleich Kühlzellenbetrieb hohe und niedrige Luftfeuchte


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 46

Da lediglich der gesamte Energieverbrauch des Kälteaggregates gemessen wurde, kann nur in-

direkt auf den Energiebedarf des Verdampferventilators geschlossen werden. Dazu wurden die

Betriebszustände „Kältebetrieb“ (Verdichter + beide Ventilatoren), Standby mit Verdampfer-

ventilatorbetrieb und Standby ohne Verdampferventilatorbetrieb verglichen. Somit kann der

Energiebedarf des gesamten Jahres auf die Komponenten Verdichter (inklusive Verflüssiger-

ventilator) und Verdampferventilator einzeln ausgewiesen werden. Abbildung 3.3.10 zeigt eine

Aufteilung des gesamten Energiebedarfs nach Komponenten.

Abbildung 3.3.10 Aufteilung des elektrischen Gesamtenergiebedarfs der Kühlzelle nach Komponenten

Die umgesetzte Energie des Lüfters ohne Kälteerzeugung wird letztlich in Wärme umgewan-

delt, welche wiederum weggekühlt werden muss. Die gesamte benötigte Kälteenergie könnte

also um ca. 1200 kWh geringer ausfallen, wenn die Einstellung hohe Luftfeuchte vermieden

wird.

Die hohe innere Last durch den permanenten Ventilatorbetrieb entspricht einer hohen Käl-

tegrundlast. Deshalb bewirkt die höhere benutzerinduzierte Kältelast im Sommer auch nur eine

Verdoppelung der bereitgestellten Kälte gegenüber dem Winterhalbjahr. Der Umsatz der ge-

kühlten Getränke und die jahreszeitliche Verteilung ist nicht bekannt. Die Annahme, dass diese

im Sommer deutlich höher ist als im Winter, ist aber plausibel.

Abbildung 3.3.11 Jährlicher Verlauf der täglichen mittleren Raumtemperatur und umgesetzten Kälte


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 47

In Abbildung 3.3.11 ist der Verlauf der mittleren Raumtemperatur und der umgesetzten Kälte

dargestellt. Während in den Wintermonaten der Kältebedarf ein Minimum hat, steigt er in den

Sommermonaten kontinuierlich an. Dies liegt zum einen daran, dass bei einer geringeren Tem-

peraturdifferenz von Kühlzelle zu umgebendem Raum die Kälteverluste der Kühlzelle geringer

sind. Zum anderen kann davon ausgegangen werden, dass der Umsatz an gekühlten Getränken

bei erhöhten Außentemperaturen höher ist. Dadurch steigt sowohl der Wärmeeintrag durch

neue, zu kühlende Getränke als auch der Wärmeeintrag durch ein vermehrtes Öffnen der Kühl-

zellentür.

Das Kühlzellenaggregat weist fast ausschließlich Laufzeiten unter einer Minute auf. Deshalb

sind die Zeiträume, in denen ein konstanter Kältebetrieb herrscht, sehr kurz. Trotzdem wurde

aus diesen Intervallen ein mittlerer EER bei gegebener Temperaturdifferenz gebildet. Das Er-

gebnis davon ist in Abbildung 3.3.12 dargestellt. Die Werte liegen etwa zwischen 1.8 – 2.4 und

haben einen Trend indirekt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Kühlzelle und Auf-

stellraum. Der gewichtete Mittelwert liegt bei 2.0. Die relative Abweichung hiervon beträgt -

10%/ + 20%, die absolute Abweichung beträgt 0.4. Verglichen mit dem direktverdampfenden

Mono-Split-System ist die Schwankung im EER geringer, da das Kälteaggregat keine Leistungs-

regelung vornehmen kann und die Temperaturdifferenz weniger stark schwankt.

Abbildung 3.3.12 EER der Kühlzelle in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Kühlzelle und

Aufstellraum bei konstanten Betriebsbedingungen


Neben dem Einfluss erhöhter Außentemperaturen ist auch ein signifikanter Zusammenhang

zwischen Kältebedarf und Wochentag zu erkennen. Dies soll exemplarisch an den Wochen vom

18.06.-01.07.2012 dargestellt werden, die in Abbildung 3.3.13 zu sehen sind. Da die Solarstrah-

lung nicht gemessen wurde, werden die Werte einer Wetterstation in ca. 5 km Entfernung ge-

nutzt. Es wird davon ausgegangen dass an beiden Standorten keine signifikant unterschiedli-

chen Strahlungsverhältnisse vorlagen.

An den beiden Sonntagen ist der Kältebedarf gering, an diesen Tagen ist der Getränkemarkt ge-

schlossen. Somit werden keine neuen Wärmelasten eingebracht und es findet auch kein Luft-

austausch durch Öffnen der Kühlzellentür statt. Der höchste Kältebedarf liegt bei beiden Wo-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 48

chen jeweils am Freitag vor, obwohl dort die Solarstrahlung nicht höher bzw. sogar niedriger ist

als an anderen Tagen der Woche. Ebenso ist die durchschnittliche Außentemperatur nicht sig-

nifikant höher als im Wochendurchschnitt. Der Kältebedarf, der sich zum Teil proportional zum

Getränkeumsatz verhält, folgt also weniger einem externen solaren Strahlungsangebot oder der

Umgebungstemperatur als einem von Wochentagen geprägten Einkaufsverhalten.

Abbildung 3.3.13 Tageswerte von Kälte, Solarstrahlung und maximaler Außentemperatur über 2 Wochen

Durch die hohe Kältegrundlast, die im Winter noch ca. 50 % der Sommerlast beträgt, sowie der

geringen, eher indirekten Abhängigkeit des Kältebedarfs von der Solarstrahlung ist diese Art

der Kühlung tendenziell weniger gut für solare Kühlung geeignet. Der Energiebedarf für die

Kühlung folgt einem Einkaufsverhalten, welches bestenfalls indirekt vom Wetter abhängt.

Ebenso ist eine Kühlung der Waren an 24 Stunden pro Tag erforderlich, wodurch die Nacht-

stunden von vornherein für solare Kühlung ausscheiden.

Fazit

Das Kälteaggregat ist für die Größe der Kühlzelle und den Warenumsatz deutlich überdimensi-

oniert. Durch den konstanten Betrieb des Verdampferventilators während der Messperiode

wurde der niedrige nominale EER von 2.0 durch den sEER von 1.2 nochmals unterschritten.

Zudem entfiel ein großer Teil der Kältelast auf die umgesetzte Energie des Verdampferventila-

tors. Nach Abschluss der Untersuchung wurde dem Betreiber empfohlen, den Dauerlauf des

Ventilator zu deaktivieren. Somit kann im weiteren Betrieb die Effizienz erhöht, vor allem aber

der gesamte Energieumsatz verringert werden.

Für eine solare Kühlung konnte keine Eignung festgestellt werden, da die Solarstrahlung ge-

genüber dem Einkaufsverhalten der Kunden nur einen untergeordneten Einfluss auf den Kälte-

bedarf hat. Zudem ist eine Kühlung rund um die Uhr nötig, somit also auch während der Nacht-

stunden.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 49

3.3.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung

Während der Vermessung der zuvor beschriebenen Kompressionskälteanlagen im Feld stellte

sich heraus, dass jedes System eigene Besonderheiten aufwies aber dass auch einige Gemein-

samkeiten festgestellt wurden. Gemein war den Systemen, dass sie alle überdimensioniert wa-

ren. Dies führte, mit Ausnahme des Mono-Split-Gerätes, dazu, dass die Hilfsenergie, die das Ge-

bäudesystem für Umwälzpumpen und Ventilatoren bereitstellen musste, einen signifikanten

Anteil am gesamten Energiebedarf hatte. Zudem wirkten der erhöhte Pump- bzw. Ventilato-

raufwand als zusätzliche Wärmequellen die den Kältebedarf steigerten. Die Effizienzwerte der

Kälteanlagen konnten nicht mit den Werten der Prüfstandsmessung bzw. den Herstelleranga-

ben verglichen werden, da die Test-Normbedingungen nicht anlagen. Trotzdem zeigten die Käl-

teerzeuger selbst eine Performancen, die in etwa den erwarteten Werten entsprach. In Abbil-

dung 3.3.14 sind die gemessenen Effizienzwerte gegenüber den zu erwartenden Werten nach

DIN V 18599 aufgetragen. Die vorliegenden Vorlauftemperaturen der Kaltwassersätze lagen

zwischen 6 und 14° C, so dass die beiden dargestellten Kurven nach DIN V 18599 das Intervall

darstellen, in dem man die Messwerte erwartet. Die ermittelten Effizienzwerte des Kaltwasser-

satzes der Flächenkühlung liegen entsprechend der Erwartung im zuvor genannten Intervall.

Der Kaltwassersatz der Umluftkühlung weist vor allem bei höheren Außentemperaturen einen

geringfügigen Effizienzvorteil gegenüber den Werten nach DIN V 18599 auf. Die gemessenen

Effizienzwerte des Mono-Split Gerätes Markenanbieter folgen zwar dem prinzipiellen Verlauf

der Effizienzwerte nach DIN V 18599. Die Messergebnisse übertreffen die Erwartung hier aber

signifikant. Dieses Ergebnis könnte dadurch zustande kommen, dass das untersuchte Gerät eine

höhere Effizienz aufweist als durchschnittliche Mono-Split-Geräte und der Bewertung nach DIN

V 18599 konservative Annahmen zu Grunde liegen. Zudem sind die Annahmen nach Norm

mindestens 6 Jahre alt. Die Kühlzelle kann nicht in der Abbildung 3.3.14 dargestellt werden, da

sich die DIN V 18599 ausschließlich auf Komfortklimatisierung bezieht. Gewerbliche Kühlung

ist hier nicht erfasst.

Abbildung 3.3.14 Vergleich Effizienz Messwerte und Effizienz nach DIN V 18599

2

3

4

5

6

7

8

5 10 15 20 25 30 35

EE

R[-

]

Außentemperatur [°C]

KWS Flächenkühlung 6°C nach DIN V 18599

KWS Flächenkühlung 14°C nach DIN V 18599

KWS Umluftkühlung 6°C nach DIN V 18599

KWS Umluftkühlung 14°C nach DIN V 18599

Mono-Split Markenanbieter nach DIN V 18599

KWS Flächekühlung Messung

KWS Umluftkühlung Messung

Mono-Split Markengerät Messung


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 50

Die beiden Kaltwassersätze waren suboptimal in das Gesamtsystem eingebunden, deshalb war

die Systemeffizienz deutlich geringer als die der reinen Kälteerzeugung. Dieses Phänomen wird

auch häufig bei Systemen mit Absorptionskälteanlagen beobachtet.

Das Kälteaggregat der Kühlzelle war deutlich überdimensioniert und wurde in einem unnötig

energieintensiven Betriebsmodus gefahren. Dadurch wurde die Systemeffizienz über die ge-

samte Messperiode verringert und der Energiebedarf erhöht. Das Kälteaggregat allein erreichte

im Betrieb relativ genau den vom Hersteller angegebenen EER-Wert von 2.0. Dieser Wert ist

zwar üblich für diesen Typ, allerdings aus thermodynamischer Sicht sehr niedrig.

Beim Mono-Split-Gerät zeigten sich trotz Überdimensionierung keine negativen Auswirkungen

auf die Performance. Während der Kühlperiode wurde ein sEER über 4 erreicht. Aufgrund sei-

ner hohen Effizienz, seiner Vielseitigkeit und der insgesamt geringen Betriebskosten dürfte eine

Klimatisierung mittels eines solchen Gerätes in vielen Fällen die stärkste Konkurrenz zu so-

larthermischen Kühlungsvarianten darstellen.

3.4 Prognose Kältetechnik – Expertenumfrage

Für eine Prognose der zukünftigen Entwicklungen im Bereich der Kältetechnik wurde im Rah-

men des Vorhabens EVASOLK eine Expertenbefragung zum Thema „Trends und Entwicklungen

in der Kältetechnik“ vom ZAE Bayern und ILK Dresden durchgeführt. Die Befragung erfolgte

anonym über einen Online-Fragebogen in dem Zeitraum zwischen Oktober 2012 und Januar

2013. Insgesamt wurden 30 Branchenexperten gebeten, den Umfragebogen auszufüllen, wovon

19 Personen dieser Bitte nachkamen. Die Befragten sind hauptberuflich im Bereich der Klimati-

sierung bzw. Kältetechnik tätig. In Abbildung 3.5.1 sind die von den Befragten angegebenen

Qualifizierungen bzw. Tätigkeiten aufgeschlüsselt.

0 2 4 6 8 10

Monteur

Meister

Techniker

Ingenieur

Vertrieb Innendienst

Vertrieb Außendienst

F&E

Einkauf

Befragte Personen

Abbildung 3.4.1 Angabe über Qualifikationen / Tätigkeiten der befragten Personen

Der Fragebogen ist in zwei wesentliche Teile untergliedert: „Markttrends“ und „Techniktrends“.

Die Fragen und Ergebnisse zum Teil „Markttrends“ sind in Abbildung 3.5.2 zusammen gefasst.

In Abbildung 3.5.2 bis 3.5.6 sind die Ergebnisse zum Teil „Techniktrends“ dargestellt.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 51

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Wie wird sich der Markt zwischen günstigen "Baumarktgeräten" und qualitativen "Markengeräten"

zukünftig aufteilen?

Erwarten Sie mittel-/ langfristig eine Sättigung am Markt?

Welche maximale Steigerung der Verkaufszahlen erwarten Sie in Zukunft (bezogen auf die heutigen

Verkaufszahlen)?

Welche jährlichen Wachstumsraten erwarten Sie beim Verkauf von Klimageräten?

Von welcher Lebensdauer gehen Sie bei gleicher Nutzung eines "Markengerätes" aus?

Von welcher Lebensdauer einer Monosplit Klimaanlage aus dem Baumarkt gehen Sie bei normaler Nutzung in Mitteleuropa heute aus?

> 50 % (0 %)

< 5 Jahre 5 - 10 Jahre

> 10 Jahre

5 - 10 Jahre > 10 Jahre

< 5 % 5 - 10 % > 10 %

< 20 % 20 - 50 %

mittelfristig langfristig

keine Sättigung (0 %)

Markengeräte dominieren beide gleich auf

Baumarktgeräte dominieren

Abbildung 3.4.2 Fragen und erhaltene Antworten zum Thema „Markttrends“

Aus den Antworten zu den Fragen des Bereiches „Markttrends“ lassen sich kaum eindeutige

Schlussfolgerungen ableiten (Abbildung 3.5.2). Wie zu erwarten, wird „Markengeräten“ eine

höhere Qualität und damit eine längere Lebensdauer bescheinigt.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 52

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Solare Einstrahlung und Kältebedarf für Komfortklimatisierung weisen häufig eine hohe

Überdeckung auf. Welchen Einfluss wird die PV mit den permanent sinkenden Modulpreisen auf die Entwicklung

bei Klimageräten nehmen?

Bei der Verwendung von HFKW-Kältemitteln können Leckagen einen erheblichen Einfluss auf die Klimawirkung

der Kälteanlage haben. Wie werden sich in Zukunft die Kältemittelverlustraten entwickeln?

Welche Rolle wird die Effizienz in Zukunft bei Entwicklung und Vermarktung einnehmen?

Welche Technik wird in Zukunft Vorteile bzgl. des EER / COP haben?

Welche Technik (Kaltwassersatz oder Direktverdampfer) wird sich im Bürobereich in Europa durchsetzen?

Welche Technik (Kaltwassersatz oder Direktverdampfer) wird sich im Hotelsektor in Europa durchsetzen?

Welche Technik (Kaltwassersatz oder Direktverdampfer) wird sich im Bereich Bestandsgebäude für den

Privathaushalt in Europa durchsetzen?

Mono-Split Multi-Split

KWS (0 %) keine Dominanz

KWS Multi-Split

Mono-Split (0 %)

keine Dominanz (0 %)

KWS

Mono-Split (0 %)

Multi-Split

keine Dominanz (17 %)

KWS Splitgerät

wird wichtiger sekundär

steigend

unverändert abnehmend

keinenerhöhter Eigenverbrauch aber keine direkte Kopplung

direkte Kopplung mit PV

Abbildung 3.4.3 Fragen und erhaltene Antworten zum Thema „Techniktrends“

Die Auswertung der Fragen zu den technischen Entwicklungen (Abbildung 3.5.3) zeigt, dass der

Anteil von Kaltwassersätzen von der Anwendung und damit verbunden vom Leistungsbereich

abhängt. Während im Privathaushaltsbereich ausschließlich der Einsatz von Split-Geräten er-

wartet wird, liegt der erwartete Anteil von Kaltwassersätzen im Hotelsektor bei knapp 40 %

und im Bürogebäudebereich bei etwas über 50 %. Eine knappe Mehrheit der Befragten sieht

dabei in der Zukunft Effizienzvorteile eher im Bereich der Kaltwassertechnologie. Vergleichs-

weise eindeutig wird die steigende Bedeutung der Energieeffizienz bei der Entwicklung und

Vermarktung von Kälteanlagen bejaht.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 53

Die Einschätzung bezüglich der Entwicklung der Leckraten führt zu keinem eindeutigen Ergeb-

nis. Etwas mehr als die Hälfte der Befragten erwartet steigende oder unveränderte Leckraten.

47 % der Befragten gehen von sinkenden Leckraten aus.

Bezüglich der solarelektrischen Klimatisierung erwartet eine breite Mehrheit zukünftig einen

Einfluss der gesunkenen PV-Stromerzeugungskosten. Allerdings erwarten nur 18 %, dass es

vermehrt Anlagen mit direkter Kopplung an die PV-Erzeugung geben wird.

0 20 40 60 80 100

Inverterregelung

Reversibler Betrieb

Zwischenkühlung

Freie Kühlung

Auswahl der entsprechenden Techniktrends (Anteil der Befragten in %)

Frage: Welche Techniktrends werden sich in der Klimakälteanwendung als quasi-Standard etablieren? (Merfachauswahl möglich)

Abbildung 3.4.4 Antworten zur Frage bezüglich zukünftig etablierter Technologien

Die Ergebnisse zu zukünftig (verstärkt) etablierten Technologien zeigt, dass eine Mehrheit von

über 80 % der Befragten die Kälteleistungsregelung durch Drehzahlveränderung des Verdich-

ters erwartet (Abbildung 3.5.4). Knapp die Hälfte der Befragten geht von einer verstärkten Nut-

zung der Kältemaschine als Wärmepumpe aus.

0 10 20 30 40 50 60 70

HFKW

Low-GWP-HFKW

CO2

Propan

Butan

R32

Auswahl der entsprechenden Kältemittel (Anteil der Befragten in %)

30 kW

5 kW

Frage: Welches Kältemittel wird in Zukunft in zwei verschiedenen Kälteleistungsklassen (5 kW / 30 kW) am häufigsten Verwendung finden wird.(Mehrfachauswahl möglich)

Abbildung 3.4.5 Antworten zur Frage bezüglich zukünftig eingesetzter Kältemittel


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 54

Die Einschätzungen bezüglich des zukünftig dominierenden Kältemittels in Anwendungen mit

5 kW bzw. 30 kW Kälteleistung zeigt ein differenziertes Bild (Abbildung 3.5.5). Die Mehrzahl

der Befragten erwartet einen weiteren Einsatz von HFKW-Kältemitteln bzw. von Low-GWP-

HFKW und damit keine Umstellung auf natürliche Kältemittel. Im Bereich der natürlichen Käl-

temittel wird Propan, wahrscheinlich aufgrund der höheren Effizienz in Klimaanwendungen,

häufiger genannt als CO2.

Eine breite Mehrheit der Befragten erwartet eine weitere deutliche Steigerung der nominalen

EER-Werte von Split-Klimaanlagen in den nächsten Jahren (Abbildung 3.5.6). 35 % gehen von

EER-Werten im Bereich 4.0…4.9 und weitere 50 % von Werten im Bereich von 5.0... 5.9 aus.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

3,0 .. 3,9 4,0 .. 4,9 5,0 .. 5,9 6,0 .. 6,9

Ein

sch

ätzu

ng

de

r B

efr

agte

n (

in %

)

EER - Bereiche

Frage: Heute wird ein EER >3,2 benötigt, um im Energielabel ein A für eine Split-Klimaanlage zu erhalten. Viele Geräte erreichen bereits nominale EER Werte zwischen 3,5 - 4,5. Wie hoch wird der typische EER Wert eines guten Splitklimagerätes in 10 Jahren sein? (Angaben jeweils bei Außentemp.(TK): 35 °C, Innentemp.(TK): 27 °C)

Abbildung 3.4.6 Antworten zur Frage bezüglich zukünftig typischer EER-Werte von Splitgeräten


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 55

4 Analyse solarthermische Kühlung

Autoren: Peter Zachmeier, Manuel Riepl (ZAE)

Bis vor wenigen Jahren war der Begriff solare Kühlung hauptsächlich mit solarthermischer Kühlung

verknüpft. Da in diesem Bereich bereits einige geförderte Forschungsprojekte mit wissenschaftli-

cher Begleitung durchgeführt wurden, besteht bei den Projektpartnern bereits umfangreiches Wis-

sen über typische Betriebsweisen, potenzielle effizienzmindernde Ausführungen und System-

schwachstellen. Im Projektteil „Analyse solarthermische Kühlung“ wurde eine Übersicht über die

Technik und die aktuell verfügbaren Geräte der thermischen Kühlsysteme gegeben, Praxisdaten aus

früheren Forschungsprojekten aufgearbeitet sowie das Entwicklungspotenzial von thermischen

Kältemaschinen und ihrem umgebenden System untersucht. Im Rahmen dieses Berichtes soll nur

eine Übersicht dieser Teilpunkte wiedergegeben werden, ausführlich sind diese Punkte in folgen-

dem separaten Bericht dargestellt:

„EvaSolK - Evaluierung der Chancen und Grenzen von solarer Kühlung im Vergleich zu Referenz-

technologien – Analyse von solarthermischer und photovoltaisch gespeister Kälteerzeugung

AP 2 Analyse solarthermische Kühlung“

Dieser Bericht wurde hauptverantwortlich vom ZAE Bayern mit Unterstützung der Projektpartner

ILK und ISE erstellt und kann über alle drei Projektpartner bezogen werden.

4.1 Marktübersicht und technische Analyse von Absorptions- und Adsorp-tionskälteanlagen kleiner Leistung

Innerhalb dieses Unterpunktes wird eine kurze Einleitung in die Kältetechnik gegeben, die Un-

terscheidung zwischen Absorptionskälteanlage, Adsorptionskälteanlage sowie Kompressions-

kälteerzeugung und die Abgrenzung zwischen offenen und geschlossenen thermischen Kälte-

bzw. Klimatisierungsverfahren dargestellt. Es folgt eine Marktübersicht von Ab- und Adsorpti-

onskälteanlagen sowie ein Abschnitt über das Verhalten von thermisch angetriebenen Kältema-

schinen bei Lastwechseln und in Teillast. Dies ist insofern interessant, da thermisch angetrie-

bene Kältemaschinen aufgrund ihrer größeren thermischen Masseträger auf Laständerungen

reagieren. Ebenso verschlechtert sich der Wirkungsgrad besonders von Absorptionskältema-

schinen bei taktendem Verhalten, da ausgetriebenes Kältemittel zur Lösungsverdünnung einge-

setzt wird. Abschließend wird ein Überblick über die Funktionsweise verschiedener offener

sorptionsgestützter Klimatisierungsverfahren gegeben. Diese Technik wird jedoch nicht ver-

tieft, da innerhalb des Projektes EVASOLK ausschließlich geschlossene thermische Kälteerzeu-

gungssysteme für die Vergleichsstudie benutzt werden.

4.2 Praxisdaten Absorption / Adsorption

In diesem Unterpunkt wird die Erfahrung zusammengefasst, die in zurückliegenden solarther-

mischen Klimatisierungsprojekten gesammelt wurde. Generell wurde festgestellt, dass sich die

ausgeführten Anlagen in ihrer Effizienz teilweise deutlich voneinander unterscheiden und zu-

meist weit unter ihren Möglichkeiten, bezüglich Effizienz, zurückbleiben. In den meisten Fällen

stellten sich die Kälteerzeuger selbst als relativ zuverlässig dar, während die Einbindung in die

gesamte Systemtechnik zu Effizienzeinbußen führte. Dies wirkte sich zum Teil in verminderter

thermischer Effizienz, zumeist aber hauptsächlich in einem hohen Stromverbrauch der Neben-

aggregate wie Pumpen und Ventilatoren aus. Die elektrischen EER-Werte, die die thermisch an-

getriebenen Kältemaschinen im Systemverbund dadurch erreichten, lagen teilweise unter de-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 56

nen von vergleichbaren Kompressionskälteanlagen. Die positiven Beispiele aus der Praxis zei-

gen aber auch, dass bei guter Ausführung ein deutlicher Teil der elektrischen Energie, vergli-

chen mit einem konventionellen Kompressionskältesystem, eingespart werden kann.

4.3 Entwicklungspotenzial Apparatetechnik

In diesem Unterkapitel wird auf das Entwicklungspotenzial und die laufenden Forschungsar-

beiten bezüglich der Weiterentwicklung der Apparatetechnik eingegangen. Dabei wird noch-

mals zwischen Entwicklungen bei den Absorptionskältemaschinen und den Adsorptionskälte-

maschinen unterschieden.

Bei den einstufigen Absorptionskältemaschinen wird beispielsweise eine Erhöhung des thermi-

schen EER in Teillast durch variable Lösungsmengen angeführt. Weitere Entwicklungen haben

die Verringerung der hydraulischen Widerstände in den Wärmetauschern zum Ziel, um elektri-

sche Pumpenergie einzusparen. Des Weiteren werden Ionische Flüssigkeiten als alternative Lö-

sungsmittelpaar beforscht, um einige stoffbedingte Nachteile von wässriger Lithiumbromidlö-

sung zu umgehen. Ebenso werden Abmessungen und Gewicht optimiert sowie am Einsatz von

mehrstufigen Absorptionskältekreisläufen geforscht.

In der Adsorptionskältetechnik liegt das Hauptaugenmerk auf der Erhöhung der Leistungsdich-

te durch den Einsatz neuer Sorptionsmittel sowie auf der Verbindung des Sorptionsmittels mit

der Wärmetauscherstruktur. Ebenso soll dadurch der Einsatzbereich erweitert werden, da

neue Sorptionsmittel ggf. den Ersatz von Wasser als Kältemittel durch ein Kältemittel mit nied-

rigerem Gefrierpunkt zulassen.

4.4 Entwicklungspotenzial Systemtechnik

Ähnlich zu Kapitel 4.3 wird auch hier die Betrachtung in Absorptionskältetechnik und Adsorp-

tionskältetechnik unterteilt.

Bei der Absorptionskältetechnik wird das größte Potenzial, eine korrekte Dimensionierung und

Auswahl von hocheffizienten Komponenten vorausgesetzt, in der Regelungstechnik und Syste-

meinbindung gesehen. Optimierte Regelstrategien können in Teillast deutlich zur Reduzierung

der elektrischen Leistungsaufnahme beitragen und zu einer Steigerung des elektrischen EER

gegenüber dem Volllastpunkt führen. Des Weiteren ist die Einbindung von Speichern in das

System möglich. Beispielsweise kann durch Einbindung eines Latentwärmespeichers auch mit

trockenen Rückkühlwerken eine geringe Rückkühltemperatur eingehalten werden, indem ein

Teil der Abwärmeabgabe an die Umwelt in die Nacht verlagert wird. Dadurch kann sowohl

elektrische Energie eingespart werden als auch vor allem der Leistungsbezug reduziert werden.

Die oben diskutierten Entwicklungspotenziale bzgl. der Regelungstechnik treffen in ähnlicher

Weise auch für die Adsorptionstechnik zu, da die externen hydraulischen Kreise sehr ähnlich

sind. Adsorptionskältemaschinen haben üblicherweise einen geringeren thermischen EER als

Absorptionskälteanlagen mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser/wässrige Lithiumbromid-Lösung.

Deshalb ist bei Adsorptionskältemaschinen eine energetisch optimierte Rückkühlung noch

wichtiger, da bei gleicher Kälteleistung noch höhere Abwärmeströme abgeführt werden müs-

sen. Um den geringen thermischen EER auszugleichen, gibt es ferner Entwicklungen, einen ex-

ternen Wärmespeicher für den Temperaturwechsel zwischen Desorptions- und Adsorptions-

phase einzusetzen und so einen ähnlichen Effekt zu erzielen, den Absorptionskältemaschinen

mittels eines Lösungswärmetauschers erreichen.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 57

5 Vergleichsstudie Solare Kühlung in Gebäuden

Autoren: Edo Wiemken, Anna R. Petry Elias, Björn Nienborg (Fraunhofer ISE)

Zur Erläuterung von Kurzzeichen wird auf die Nomenklatur im Anhang A5.1 verwiesen.

5.1 Vorbemerkungen

In der Vergleichsstudie zur solaren Kühlung in Gebäuden wird die Fragestellung untersucht,

wie sich solare Kühlung darstellt

in unterschiedlichen Klimaten

in verschiedenen Anwendungen

in unterschiedlichen Konfigurationen.

Die Ergebnisse werden vollständig durch Modellrechnungen mit exemplarischen Konfiguratio-

nen der solaren Kühlung generiert. In die Modellbildung fließen dabei Erkenntnisse aus den

anderen Arbeitsschwerpunkten des Vorhabens ein, dies betrifft z.B. die Effizienz konventionel-

ler Kältetechnik im Nenn- und Teillastbetrieb (aus dem Arbeitspaket Referenztechnologien)

sowie das Verhalten solarthermisch angetriebener Komponenten (aus der Analyse solarther-

mischer Kühlung).

Essentiell zur Beurteilung der Ergebnisse der zahlreich durchgeführten Modellrechnungen ist

der Vergleich mit konventioneller, nicht regenerativ unterstützter Gebäudeversorgung; diese

wird im Folgenden Referenz genannt. Der Vergleich mit der Referenz erfolgt in zweierlei Hin-

sicht: einerseits wird solarthermisch unterstützte Gebäudeversorgung (ST) mit der Referenz

verglichen, andererseits wird die konventionelle Gebäudeversorgung um einen PV-Generator

erweitert und diese Kombination (Ref+PV) wird ebenfalls mit der Referenz verglichen. Daraus

ergeben sich unmittelbar bei Betrachtung der erzielten Ergebnisse – Einsparungen, Kosten usw.

– je nach Anwendung und Standort Vor- bzw. Nachteile für die eine oder andere regenerativ ge-

stützte Variante.

ST

Referenz

Ref+PV

Abbildung 5.1.1 Beide solarunterstützte Varianten – die solarthermische ST und die solarelektrische Ref+PV – werden jeweils mit der Referenz verglichen.

Der Aufbau einer Vergleichsstudie setzt umfangreiche Vorgaben für die Durchführung voraus,

dies betrifft die Wahl der Standorte, der Nutzungsarten, der Anlagenkonfiguration, der Anla-

genkosten und der Betriebskosten. Die Definition der Vorgaben bedeutet zugleich Eingrenzun-

gen der behandelten Thematik. Dennoch wurde versucht, den vorherrschenden Standard-An-

wendungen der jeweiligen Technologien gerecht zu werden. Mit der Festlegung der Vorgaben

werden eindeutig marktgängige Verfahren und Komponenten der solar unterstützten Gebäu-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 58

deklimatisierung untersucht; neue technologische Ansätze, die teilweise in Pilotvorhaben be-

reits untersucht werden aber noch nicht marktreif sind, sind nicht Gegenstand dieser Analyse.

Darüber hinaus besteht das Potenzial von Solarkomponenten nicht ausschließlich darin, für ei-

nen einzigen Versorgungszweck eingesetzt zu werden: ein solarthermischer Kollektor kann

(und sollte) auch zur Heizungsunterstützung und / oder Brauchwassererwärmung beitragen;

ein PV-Generator liefert Strom, der bei einer netzgekoppelten Technik ohnehin Strombezug für

diverse Verbraucher im Gebäude substituieren kann. Um eine aussagekräftige Kosten- und

Energiebilanzierung durchzuführen, ist daher eine erweiterte Betrachtung unter Einbeziehung

des sonstigen Wärmebedarfs sinnvoll. In der Option Ref+PV wird für die Bilanzierung die direkt

vor Ort aufnehmbare Elektroenergie durch den Gebäudestrombedarf ausgewertet, um die Ei-

gennutzung des PV-Stroms zu erfassen. Abbildung 5.1.2 zeigt grob den Umfang der Vergleichs-

studie; die Methodik wird im Folgenden detaillierter dargestellt.

W

H B

H B H B

K HBWW

K HBWW

K H KDHW

K

Klima: Klima:moderat, mediterran sonnig, warm

W

H B

H B H B

Grö

ße,

Leis

tun

gG

röß

e,Le

istu

ng

Bedarf

Solarthermisch

Referenz,Referenz + PV

(netzgekoppelt)

Konzentrierende Kollektoren,

zweistufige AKM

Bilanzierung:- Stromverbrauch,- Gasverbrauch,- Primärenergie- CO2 Emissionen- Lebenszykluskosten (20 a) H B

H B H B

H

BWW

Fraunhofer ISE

A

A

C+

C

C

C

C

C+ C+

C+

B

B

B+ B+

B+B+

Konzentrierende Kollektoren,

zweistufige TKM

Abbildung 5.1.2 Schematische Darstellung des Umfangs der Vergleichsstudie. Für drei Anwendungsar-ten A, B und C werden solarthermisch unterstützte Kälte- und Wärmeversorgungen der Referenz und der Option Referenz+PV gegenübergestellt. Die Anwendungsarten repräsentieren drei verschiedene Gebäudear-ten. Die Anwendungsart B+ und C+ unterscheidet sich dabei in der Gebäudegröße bzw. erforderlichen Ver-sorgungsleistung von den Anwendungen B und C (+: vergrößertes Gebäude; leicht unterschiedlicher Lastver-lauf wegen Lüftungssystem). Die Anwendung wird jeweils in verschiedenen Klimaten untersucht; in sehr sonnigen Klimaten (zwei Standorte) wird konzentrierende Kollektortechnik mit zweistufigen thermisch be-triebenen Kältemaschinen (TKM) angenommen. Es werden – je nach Anwendungsart – unterschiedliche Wärmelasten der Gebäude gedeckt:

A: Kühlen (K), Heizen (H), Brauchwarmwasser (BWW) B: Kühlen, Heizen C: Kühlen, Heizen, erhöhter BWW-Bedarf.

Die Anwendungsart A wird durch ein Mehrfamilienwohngebäude repräsentiert, B durch ein Bürogebäude und C durch ein Hotelgebäude. Die Anwendungsarten können auch andere Nutzungen vertreten, z.B. könnte C auch einen Klinikbereich darstellen mit ähnlich hohem BWW-Bedarf. Für jede Option wird eine Energie- und Kostenbilanz für einen 20-jährigen Betriebszyklus rechnerisch er-stellt.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 59

5.2 Methodischer Ansatz

Den prinzipiellen Ablauf der Rechnungen zur Vergleichsstudie zeigt Abbildung 5.2.1. Grund-

sätzlich erfolgt die Berechnung der Systemzustände in jedem Zeitschritt der Simulation ent-

koppelt von der Berechnung der Gebäudelasten; diese wurden getrennt von der Systemsimula-

tion vorher bestimmt. In der Systemsimulation wird dann die Energiebilanz zur Deckung des

Bedarfs in Abhängigkeit der Systemparameter, z.B. der Größe der Solarthermie-Anlage, des Kol-

lektortyps, der Art der thermisch betriebenen Kältemaschine usw., ermittelt.

Abbildung 5.2.1 Ablauf der Rechnungen in der Vergleichsstudie. Ausgangspunkt bildet die Festlegung der Standorte, für die die Anwendungsarten untersucht werden sollen. Für jede Anwendungsart wird ein Ge-bäudemodell erstellt und je Standort die Lastzeitreihe (Kühlen, Heizen) berechnet. Dazu wird auch für die Anwendungsarten A und C, C+ ein BWW-Lastprofil generiert. Die Systemsimulation nutzt die Lastdateien sowie die Komponenten- und Anlagenmodelle zur Berechnung von Jahreswerten (Kosten, Energiebilanz) und Zeitreihen (Elektroenergiebedarf, Stromaustausch mit dem Netz) für jede Anwendungsart, Konfigurati-on und für jeden Standort. Anschließend werden die unterschiedlichen Optionen ST, Ref+PV mit der Option Referenz verglichen.

5.2.1 Standorte

Für den Systemvergleich wurden einige klimatisch repräsentative Standorte in Europa sowie

zusätzlich zwei sonnenreiche und warme Standorte (Türkei, Nordafrika) gewählt.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 60

Zur grundsätzlichen klimatischen Differenzierung der Standorte können effektive Klimaklassi-

fikationen herangezogen werden, die auf Berücksichtigung regionaler Hauptmerkmale beruhen

(Temperaturen, Wasserhaushalt, Vegetation etc.). Hier gibt es unterschiedliche Nomenklaturen;

bekannt und häufig verwendet sind beispielsweise die Einteilungen nach Köppen1 sowie nach

Troll und Paffen2.

Allerdings zeigen die Klassifikationen

wenig Differenzierung innerhalb Mitteleuropas; Deutschland wird z.B. nur von einer Kli-

mazone umfasst;

dass der Schwerpunkt der Klassifizierung auf Temperaturen, Feuchte und anderen Merk-

malen beruht, die Einstrahlung aber nicht direkt in die Klassifizierung eingeht.

Im betrachteten Anwendungsbereich Mittel- und Südeuropa sind nach Köppen zwei Hauptkli-

mazonen vorherrschend:

• Klimatyp Cfb – warmgemäßigtes Klima; immerfeucht, warme Sommer;

• Klimatyp Csa – warmgemäßigtes Klima; sommertrocken, warme Sommer.

Der Klimatyp Csa ist auch in der Küstenregion Nordafrikas, etwa von Tunis bis Marokko, vor-

herrschend. Im weiteren Inland (Algerien, Marokko) findet sich der Klimatyp

• BWh (trockenes Klima; heißes Wüstenklima);

• BSk (trockenes Steppenklima, kalt)

Im Wesentlichen deckt sich diese Klassifikation mit der Klimazoneneinteilung nach Troll und

Paffen; hier sind die entsprechenden Klimate

• Klimatyp III – kühlgemäßigte Zonen

Unterkategorie 3: subozeanisches Klima, milde/mäßig kalte Winter, mäßig warme lange

Sommer,

Unterkategorie 2: ozeanisches Klima, milde Winter, mäßig warme Sommer;

• Klimatyp IV – warmgemäßigte Zonen

Unterkategorie 1: winterfeuchte, sommertrockenes Mediterranes Klima,

Unterkategorie 2: winterfeuchte, sommerdürre Steppenklimata,

Unterkategorie 5: Halbwüsten- und Wüstenklima.

Für die Vergleichsstudie wurden schließlich fünf europäische Standorte für die Analyse solar-

thermischer Kühlverfahren mit einstufiger Kältetechnik und nicht-konzentrierender Kollektor-

technik ausgewählt (Freiburg/DE, Toulouse/FR, Madrid/ES, Palermo/IT, Athen/GR) sowie die

Standorte Antalya/TR und Bechar/DZ für die Analyse solarthermischer Verfahren mit konzen-

trierender Kollektortechnik und zweistufiger Absorptionskältetechnik. Anhang A5.2 enthält

weitere Informationen zu den gewählten Standorten.

1 M. Kotteck et al.: World Map of Köppen-Geiger Climate Classification, 2006. http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at (2009)

2 Einen Überblick über Klimaklassifikationen gibt der Klett-Verlag unter http://www.klett.de und http://klett.de/sixcms/list.php?page=geo_infothek&node=Klimazonen&article=Infoblatt+Klimaklassifikationen (Feb-ruar 2011)


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 61

Abbildung 5.2.2 Standorte für die Vergleichsrechnungen solare Kühlung in Gebäuden. Links: Standorte für solarthermische Systeme mit einstufiger Kältetechnik und stationärer Kollektortechnik (Freiburg, Tou-louse, Madrid, Palermo, Athen). Rechs: Standorte mit 2-stufiger Absorptionskältetechnik und konzentrieren-den Kollektoren (Antalya, Bechar).

Die Auswahl erfolgte anhand der Klimaregionen und auf Basis der Einstrahlungserträge und

der Einstrahlungsverteilungen und –häufigkeiten, um eine hohe Bandbreite mit einer begrenz-

ten Anzahl von Standorten abzubilden.

Für die Auswahl wurden Wetterdaten aus der meteorologischen Datenbasis METEONORM3 mit

stündlicher Zeitauflösung für jeden Standort für jeweils ein Jahr generiert. Diese Daten wurden

auch für die Berechnung der Gebäudelastdaten und für die Systemsimulationen verwendet.

5.2.2 Anwendungen

Grundsätzlich wird in der Vergleichsstudie zwischen drei unterschiedlichen Anwendungsarten

unterschieden, die die Laststruktur und damit den Betrieb der thermischen Gebäudeversor-

gung prägen. Die thermischen Lasten in den Anwendungen setzen sich zusammen aus den in-

ternen Lasten (Anzahl und Belegungszeitprofil der Nutzer und durch Geräteeinsatz) und aus

den äußeren Lasten (Wärmedurchgänge durch die Gebäudehülle). Letztere sind standortab-

hängig, d.h., für jede Anwendungsart wurde eine Lastzeitreihe für jeden betrachteten Standort

erstellt.

Anwendungsart A

Ein Gebäude, das tagsüber und verstärkt nachmittags und abends genutzt wird. Als Modell

diente ein Mehrfamilienwohnhaus mit sechs Wohneinheiten. Brauchwarmwasserbedarf ist ge-

geben. Die Gebäudekühlung verlangt Installationen im kleinen Kühlleistungsbereich < 30 kW

(standortabhängig).

Anwendungsart B

Ein Gebäude, das hauptsächlich tagsüber und wochentags belegt ist. An den Wochenenden sind

höhere Solltemperaturen im Gebäude zugelassen. Es existiert keine zentrale Brauchwarmwas-

serversorgung. Als Modell diente die Etage eines Bürogebäudes. In der Simulation wird die An-

wendung noch aufgeteilt in

3 METEONORM - Datenbank zu meteorologischen Grundlagendaten. Meteotest, Bern, Schweiz


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 62

B kleine Gebäudeeinheit mit zwei Etagen; kein zentrales Lüftungssystem. Es treten Kühl-

lastspitzen < 50 kW auf (standortabhängig);

B+ größere Gebäudeeinheit mit acht Etagen; zentrales Lüftungssystem. Es treten Kühllast-

spitzen > 100 kW auf (standortabhängig).

Anwendungsart C

Ein Gebäude, das ganztägig und an jedem Wochentag, aber mit Schwerpunkt abends belegt ist.

Als Modell wurde eine Hoteletage verwendet. Ein erhöhter Brauchwarmwasserbedarf ist gege-

ben. In der Simulation wird die Anwendung noch aufgeteilt in

C kleine Gebäudeeinheit mit zwei Etagen; kein zentrales Lüftungssystem. Es treten Kühl-

lastspitzen < 40 kW auf (standortabhängig);

C+ größere Gebäudeeinheit mit acht Etagen; zentrales Lüftungssystem. Es treten Kühllast-

spitzen > 80 kW auf (standortabhängig).

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Stu

nd

enm

itte

l des

Jah

res

/ P

mit

tel

Stunde des Tages

Madrid; mittleres Tagesprofil der Kühllast A

B+

C+

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.2.3 Mittlerer jährlicher Tagesgang der Kühllast für den Standort Madrid. Zu jeder Stunde des Tages wurde die mittlere Kühllast berechnet. Die Werte sind normiert auf den Jahresmittelwert der ge-samten Kühllast.

Die Gebäudemodelle wurden in TRNSYS4 erstellt. Die abgebildeten Gebäudehüllen entsprechen

gutem Baustandard etwa entsprechend der ENEV 2009, erfüllen aber keine weitergehenden

Forderungen wie z.B. Passivhausstandard. Für jeden Anwendungstyp und zu jedem Standort

wurde eine Lastzeitreihe mit stündlichen Heiz- und Kühllasten eines Jahres generiert. Die Be-

rechnung des Wärmebedarfs für die Brauchwarmwasserbereitung erfolgte mittels des Pro-

4 TRNSYS - Transient system simulation environment. Entwickelt am Solar Energy Laboratory der University of Wisconsin, Madison USA. http://sel.me.wisc.edu/trnsys/


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 63

gramms DHWcalc5. Damit lässt sich der Warmwasserbedarf einer Anwendung statistisch um

ein vorgegebenes tägliches Grundmuster verteilen, um eine angemessene Dynamik des Zapf-

profils zu erreichen. Die Zeitauflösung in den Zeitreihen der Warmwasserzapfprofile beträgt

10 Minuten. Tabelle 5.2.1 gibt einen Überblick über die Kühl- und Heizlasten in den unter-

schiedlichen Anwendungen und Standorten.

A B B+ C C+

6 Einheiten 2 Etagen 8 Etagen 2 Etagen 8 Etagen

Nutzfläche [m²] 540 520 2080 604 2416

Hei

zen

Kü

hle

n

Hei

zen

Kü

hle

n

Hei

zen

Kü

hle

n

Hei

zen

Kü

hle

n

Hei

zen

Kü

hle

n

Standort, Klimaregion

a) Köppen b) Troll/Pfaffen

Spezifische Last (Jahr) [ kWh /m²*a ]; Spitzenlast [ kW ]

Freiburg (DE) a) Cfb b) III,3

35.6

28

19.6

17

49.7

48

29.3

38

40.7

181

31.6

153

85.4

42

15.2

23

57.4

142

19.4

94

Toulouse (FR)

a) Cfb b) III,2

16.0

24

30.4

22

26.4

44

43.6

36

20.4

163

46.0

149

52.6

38

25.9

27

33.2

125

30.3

113

Athens (GR) a) Csa b) IV,1

1.9

16

52.6

24

6.3

32

70.3

45

4.0

126

71.5

179

20.8

29

49.9

31

10.7

92

52.6

125

Palermo (IT) a) Csa b) IV,1

< 1

7

62.0

25

2.0

20

78.1

45

1.1

70

80.9

180

11.1

21

61.2

34

4.6

62

65.5

134

Madrid (ES) a) BSk/Csa b) IV,1

11.5

21

40.6

22

21.2

41

52.0

37

16.0

155

53.0

149

44.8

35

32.4

26

27.5

115

35.2

106

Antalya (TR) a) Csa b) IV,1 n.b. n.b.

4.4

27

75.8

46

2.8

104

76.4

183

17.1

24

55.8

37

8.7

78

58.4

148

Bechar (DZ) a) BWh b) IV,5 n.b. n.b.

6.4

33

93.4

40

4.6

128

91.0

148

19.6

32

69.4

30

10.8

104

67.5

109

Tabelle 5.2.1 Spezifische Heiz- und Kühllasten in den Anwendungen sowie die Spitzenlasten. Hinzu kommt ein Wärmebedarf für die Brauchwasserbereitung: ca. 20 kWh/m²*a in der Anwendungsart A und ca. 50 kWh/m²*a in der Anwendungsart C und C+. Kein Brauchwarmwasserbedarf in Anwendung B, B+.

n.b.: an diesen Standorten nicht berücksichtigt.

Weitere Details zu den Anwendungsarten sind in Anhang A5.3 aufgeführt. Dort finden sich auch

die spezifischen Kühl- und Heizlasten zu jeder Anwendungsart und zu jedem Standort. Abbil-

dung 5.2.3 zeigt exemplarisch für den Standort Madrid den mittleren täglichen Kühllastverlauf,

5 U. Jordan, K. Vajen: Handbuch zum Programm DHWcalc – Werkzeug zur Generierung von Trinkwasser-Zapf-profilen auf statistischer Basis. Version 1.10, 2003. Das Programm ist beziehbar unter www.uni-kassel.de/~solar


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 64

gebildet aus dem Jahresmittel zu jeder Stunde, für die Anwendungsarten A, B+ und C+. Die ge-

samte thermische Gebäudelast wird weiter durch den Heizbedarf (anwendungs- und standort-

spezifisch) und durch die je nach Anwendungsart unterschiedlichen Brauchwarmwasserlasten

bestimmt.

Eine weitere Anwendungsart der solaren Kühlung besteht in der Integration in Kältenetze. Die-

ser Aspekt wird nicht in den nachfolgend dargestellten Modellrechnungen erarbeitet, aber qua-

litativ in Anhang A5.8 kurz dargestellt, wobei Erkenntnisse aus den Wirtschaftlichkeitsabschät-

zungen im Gebäudebereich einfließen.

5.2.3 Systemkonfigurationen

Die betrachteten Systemkonfigurationen unterscheiden sich hinsichtlich der Kältetechnik, der

Wärmeversorgungstechnik (mit Nutzung fossiler Energiequellen) und der solarthermischen

Kollektortechnik. In den Standardkonfigurationen wird die Wärmeversorgung – abgesehen

vom solarthermischen Kollektorfeld – von einem Erdgas-Brennwertkessel übernommen. In den

solarthermischen Varianten wird dabei durch die Wahl der hydraulischen Anordnung verhin-

dert, dass Wärme aus dem Gaskessel der thermisch betriebenen Kältemaschine zugeführt wird.

Die TKM wird somit immer nur mit solarer Wärme versorgt. Zusätzlicher Kältebedarf wird über

konventionelle Kompressionskältetechnik mit Kaltwasser gedeckt.

Abbildung 5.2.4 fasst die Hauptkomponenten in den Varianten ST, Referenz und Ref+PV zusam-

men. Die konventionelle Wärmeversorgung ist dabei in allen drei Varianten immer gleich, also

z.B. Brennwertkessel in allen miteinander verglichenen Optionen. In der Kälteversorgung ist

dies unterschiedlich: die solarthermische Variante besitzt – sofern nicht solarthermisch auto-

nome Kühlung untersucht wird (ohne Kälte-Backup) – aus systemtechnischen Gründen immer

eine Kompressionskältetechnik auf Kaltwasserbasis als Kälte-Backup. Die Varianten Referenz

und Ref+PV hingegen enthalten im kleinen Leistungsbereich Split-Systemtechnik, im großen

Kälteleistungsbereich (B+, C+) wird Kaltwassertechnik angenommen. Der Einbau von Split-

Geräten anstelle von Kaltwassertechnik im kleinen und mittleren Leistungsbereich entspricht

der Marktsituation. Weitere Details zu den Konfigurationen finden sich in Anhang A5.4.

In jeder solarthermischen Konfiguration werden innerhalb jeder Anwendung und für jeden

Standort die folgenden Parametervariationen durchgeführt:

An den europäischen Standorten (stationäre Kollektortechnik, einstufige TKM) wurde je-

weils eine Rechnung mit Absorptionskältetechnik und mit Adsorptionskältetechnik durch-

geführt;

An den europäischen Standorten wurde jeweils ein stationärer Flachkollektor und ein Vaku-

umröhrenkollektor im System untersucht. Dabei erfolgte in den Standardkonfigurationen

eine Flächenvariation6 von 3 bis 6 m² je kW installierter Nennkälteleistung PTKM der ther-

misch angetriebenen Kältemaschine (Flachkollektor) bzw. von 2.5 bis 5.5 m² je kW PTKM (Va-

kuumröhrenkollektoren). Die Schrittweite der Variation betrug 1 m²/kWP_TKM. In den Varian-

ten mit kleiner dimensionierter TKM (s. Abschnitt 5.3.1, Einfluss TKM-Auslegung) wurde die

6 In der Vergleichsstudie wird als Kollektorfläche immer die Aperturfläche verwendet.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 65

spezifische Fläche in den Anwendungen C+ bis 8 m² je kW PTKM erweitert, damit der Brauch-

warmwasserbedarf noch zu genügend hohen Anteilen solarthermisch gedeckt wird.

AbsorptionH2O-LiBr

einstufig

AbsorptionH2O-LiBr

zweistufig

Adsorption

Brennwert-kessel

Luft-Wasser-WP

Rev. Luft-Wasser-WP

Luft-gekühlter

Kaltwasser-satz

Kein Backup

Flach-kollektor

Vakuum-röhren-

kollektor

Konzen-trierender Kollektor

TKMWärme-Backup

Kälte-Backup

Kollektor

Brennwert-kessel

Luft-Wasser-WP

Rev. Luft-Wasser-WP

Luft-gekühlter

Kaltwasser-satz

Multi-Split-System

Multi-kristallineModule, Wechsel-

richter

Wärme-quelle

Kälte-system

PV

Solarthermisches System Referenzsystem (+ PV)

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.2.4 Hauptkomponenten der Systemkonfigurationen, die in der Vergleichsstudie untersucht wurden. Konfigurationen mit den Komponenten Absorption, zweistufig und konzentrierender Kollektor sind nur Konzepte für sehr sonnenreiche und warme Klimate (zwei Standorte in der Vergleichsstudie: Antalya und Bechar).

Abbildung 5.2.5 zeigt schematisch die Verzweigung in der Simulation der solarthermischen

Konfigurationen. In Voruntersuchungen wurde die geeignete Größe des Heißwasserspeichers,

des Brauchwarmwasserpuffers und eines kleinen Kaltwasserpuffers festgelegt; diese sind im

Volumen fest an die Anlagengröße gekoppelt: Volumen des Heißwasserspeichers: 35 Liter pro

m² Kollektorfläche; Volumen des Brauchwarmwasserspeichers: 7.5 Liter pro kW Kesselleis-

tung.

Auslegung der Versorgungssysteme

Wärmeversorger (GK, WP):

In Konfigurationen ohne Wärmespeicher (Referenz, Ref+PV) ist die Nennleistung gleich

der max. Heizlast in der Anwendungsart und am untersuchten Standort; in Konfiguratio-

nen mit Wärmespeicher (solarthermisch) wird die Nennleistung auf die Heizlast ohne die

ersten 10 höchsten Laststunden des Jahres ausgelegt.

Besteht zusätzlich Brauchwarmwasserbedarf (Anwendung A, C und C+), erhöht sich die

Kesselnennleistung (bzw. WP-Leistung) um zusätzlich 9 kW in der Anwendung A und um

11 kW je Etage in den Anwendungen C und C+.

Kälteversorger KKM:

Die elektrisch betriebene Kompressionskältetechnik in der Referenz, Ref+PV ist auf die

Jahreshöchstlast ausgelegt. Als Backup in Konfigurationen ST auf 75 % der Jahres-

höchstlast (wegen Kältepuffer in dieser Konfiguration).


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 66

Kälteversorger TKM:

Die Nennkälteleistung der thermisch betriebenen Kältetechnik ist in der Standardausle-

gung in Konfiguration mit Kälte-Backup auf 75 % der Jahreshöchstlast ausgelegt; in Kon-

figurationen ohne Kälte-Backup auf den Kühllastbedarf ohne die 10 höchsten Laststun-

den in der Jahresdauerlinie (11. Wert in der Dauerlinie).

In Vorberechnungen wurden die Dimensionierungsvorgaben überprüft; eine Beschränkung des

Raumkomforts in solarthermischen Varianten mit Kälte-Backup erfolgte nicht. In solarthermi-

schen Varianten ohne Kälte-Backup (in den Anwendungen A und B) wurden nur Auslegungen

weiterverfolgt, in denen mindestens 70 % der Jahreskühllast im Gebäude durch die ausschließ-

lich solarthermische Kühlung gedeckt wurden.

Standort 1

Absorption Adsorption

FK VRK FK VRK

Anwendung

….

Größe

Standort 2

…. Größe Fraunhofer ISE

Abbildung 5.2.5 Hauptkomponenten der Systemkonfigurationen in der Vergleichsstudie. Konfiguratio-nen mit den Komponenten 2-stufige Absorption und konzentrierender Kollektor sind nur Konzepte für sehr sonnenreiche und warme Klimate (zwei Standorte in der Vergleichsstudie: Antalya und Bechar). FK= Flach-kollektor, VRK= Vakuumröhren-Kollektor.

5.2.4 Modellierung und Simulation

Sowohl die Gebäudemodellierung und –simulation als auch die Modellierung und Simulation

der Systemkonfigurationen wurde in TRNSYS durchgeführt. Die Kollektormodelle wurden da-

bei der Standard-Komponentenbibliothek des Programms entnommen, die Modelle der Kälte-

maschinen wurden unter anderem in Zusammenarbeit mit ZAE Bayern und dem ILK Dresden

aufgestellt. Die Modelle der Hauptkomponenten sind in Anhang A5.6 kurz beschrieben.

Jede Systemsimulation umfasst einen Zeitraum von einem Jahr; Eingangsdaten sind die Last-

zeitreihen der Gebäude, des Brauchwarmwasserbedarfs und die meteorologischen Daten (Zeit-

auflösung in den Eingangsdaten siehe Abbildung 5.2.1).

Für die Systemsimulation wurde das Makro-Konzept in TRNSYS genutzt. Teile des Gesamtsys-

tems werden dabei in Makros abgebildet; aus diesen Makros lassen sich dann die unterschiedli-

chen Konfigurationen zusammenfügen (s. Abbildung 5.2.6). Vorteil ist, dass bei Änderungen in

einem der Makros diese Änderungen automatisch in allen Konfigurationen mit dem gleichen

Makro übernommen werden.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 67

In jeder Systemsimulation werden die wichtigsten Wärmeflüsse bilanziert und in jedem Zeit-

schritt der Elektroenergiebedarf der stromaufnehmenden Komponenten berechnet. Ein Bei-

spiel über die virtuellen Messstellen gibt Anhang A5.5.

Abbildung 5.2.6 Beispiel für den Aufbau einer Systemkonfiguration aus Makros in TRNSYS. Oben: das Kollektor-Makro (links) enthält die Komponenten des Kollektorkreises ohne Speicher (rechts). Unten: ein Ge-samtsystem setzt sich aus mehreren Makros mit definierten Schnittstellen zusammen.

5.2.5 Referenz + PV

In den solarthermischen Varianten ST ist die sinnvolle Größe des Solarkollektorfeldes an die lo-

kale Verwertungsmöglichkeit der solaren Wärme gekoppelt; eine Einspeisemöglichkeit der

überschüssigen Wärme etwa in Wärmenetze ist bisher wenig gegeben und wird hier nicht be-

trachtet.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 68

In den Varianten Referenz+PV ist die Auslegung des PV-Generators nicht eindeutig gegeben, da

der technisch einfache Ansatz der Netzkopplung betrachtet wird. Im Prinzip kann - Flächenver-

fügbarkeit vorausgesetzt – die Nennleistung des PV-Generators beliebig gewählt werden. Dem

stehen allerdings hohe Unsicherheiten bezüglich zukünftiger Einspeisevergütungen und der

Rahmenbedingungen der Einspeisung in das öffentliche Stromnetz entgegen. Auf der anderen

Seite zeichnet sich für den Endverbraucher durch die stark gefallenen Kosten des PV-Stroms

eine erhöhte Attraktivität der bilanzierten Eigennutzung7 des lokal generierten PV-Stroms und

damit einer Verringerung des Strombezugs aus dem Netz ab. Dies ist insbesondere der Fall,

wenn über einen längeren Betrachtungszeitraum mit kontinuierlich steigenden Strompreisen

gerechnet wird.

Aus der Sicht der Netzstabilität und Netzdienlichkeit könnten weitere Randbedingungen für ei-

ne optimale PV-Größe abgeleitet werden, etwa durch Berücksichtigung zeitvariabler Einspeise-

tarife. Diese Betrachtungsebene ist allerdings sehr komplex und wird hier nicht weiter verfolgt.

In der Vergleichsstudie wird daher der folgende Ansatz betrachtet:

Die Nennleistung des PV-Generators in den Varianten Referenz+PV beträgt 50 % der

elektrischen Nennleistungsaufnahme des Kompressionskälteaggregats (Nennkälteleis-

tung / EERNom). Damit werden in der Regel > 70 % des PV-Stroms zeitgleich im Gebäude

direkt aufgenommen für Klimatisierungsaufgaben und zur weiteren Gebäudenutzung;

Primärenergie und CO2 werden eingespart durch die Eigennutzung des lokal erzeugten

PV-Stroms (Vermeidung von Strombezug) sowie durch Einspeisung der Überschüsse

ins Stromnetz (Substitution von Netzstrom);

Kosten werden eingespart durch Vermeidung von Strombezugskosten. Eine Einspeise-

vergütung wird nicht betrachtet, da generell Fördermaßnahmen nicht in der Vergleichs-

studie angesetzt werden.

Wie in den Optionen ST werden die umweltrelevanten Einsparungen und die Kosten der Ein-

sparungen (s. Abschnitt 5.2.6) mit der jeweiligen Referenz verglichen.

5.2.6 Bewertungsgrößen

Im Folgenden sind nur die wesentlichen Bewertungsgrößen aufgeführt, die in der zusammen-

fassenden Darstellung der Ergebnisse der Vergleichsstudie einfließen.

Leistungs- und Arbeitsgrößen, elektrisch betriebene Kältetechnik

Zur einheitlichen Darstellung werden in diesem Dokument die Begriffe EER (Energy Efficiency

Ratio) bzw. sEER (seasonal EER) für die leistungsbezogene und energiebezogene (saisonale) Ef-

fizienz der elektrisch betriebenen Kompressionstechnik verwendet:

7 Eigenverbrauch PV-Strom: Anteil des generierten PV-Stroms, der momentan direkt vom Gebäude (Klimati-

sierung + sonstige Verbraucher im Gebäude) aufgenommen werden kann. Übersteigt die PV-Leistung diesen Wert, wird die Differenzleistung ins Netz eingespeist. In EVASOLK wird der Eigenverbrauch in der Zeit-schrittweite von 60 Minuten bilanziert, dies ist die Zeitschrittweite in den meteorologischen Basisdaten.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 69

Leistungszahl EERKKM = _KKMElektrisch

Kälte_KKM

E

Q

[kW/kW],

Arbeitszahl sEERKKM = dtE

dtQ

T

_KKMElektrisch

T

Kälte_KKM

[kWh/kWh].

Rück-Kühler

trocken

Kompressions-Kältemaschine

E

QNutzkälteElektro-energie

Bilanzraum

Kompressor

E

QNutzkälteElektro-energie

Bilanzraum

Luft-kühler

QKälte_KKM steht dabei für die Nutzkältebereitstellung aus Kompressionskältetechnik und

EElektrisch_KKM für den Stromeinsatz. In kaltwassergeführten Systemen (Schemabild links) wird

der Stromverbrauch für die Kaltwasserverteilungspumpe immer bilanziert. Dies ist für den

Vergleich erforderlich, da in den Referenzsystemen kleiner Leistung von Multi-Split-Technik

ausgegangen wird (Schemabild rechts, Anwendungen A, B, C). Wenn dieser Stromverbrauch

mit in die Darstellung des sEER einfließt, so wird dies entsprechend vermerkt.

Verteilungsverluste im Kaltwassernetz sowie Stromverbrauch für die raumseitige Kältevertei-

lung (Umluftkühler usw.) sind nicht berücksichtigt, da sie stark gebäude- und netzabhängig

sind und im Vergleich zwischen thermisch und elektrisch betriebener Kühlung keine Rolle spie-

len (Annahme: gleiche Wärme-/Kälteverteilung in solarer Variante und Referenz).

Leistungs- und Arbeitsgrößen, thermisch betriebene Kältetechnik

Allgemein werden thermische Leistungs- und Arbeitszahl aus dem Quotienten von Nutzkälte-

bereitstellung und benötigter Antriebswärme gebildet. Bisher fand dabei überwiegend die Be-

zeichnung Coefficient of Performance (COP) Anwendung, in der oft nicht zwischen Leistungs-

und Arbeitsgrößen unterschieden wurde; dies ergab sich aus dem Zusammenhang in der Dar-

stellung.

Gegenwärtig finden Bemühungen statt, die Bezeichnungen zur Charakterisierung unterschied-

licher Techniken mit gleicher Zielsetzung – hier die Kältebereitstellung - zu vereinheitlichen. Im

Heat Pump Program der IEA8 werden dazu die folgenden Bezeichnungen vorgeschlagen:

Leistungs- und Arbeitszahl für Anlagen zur Nutzkältebereitstellung, unabhängig vom An-

triebsmedium: EER (Energy Efficiency Ratio) bzw. sEER (seasonal …)

8 Annex 34 Thermally Driven Heat Pumps for Heating and Cooling im Heat Pump Program der Internationalen

Energieagentur IEA. http://www.annex34.org/


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 70

Leistungs- und Arbeitszahl für Anlagen zur Nutzwärmebereitstellung, unabhängig vom An-

triebsmedium: COP (Coefficient of Performance) bzw. sCOP (seasonal…).

Dieser Ansatz wird in EVASOLK aufgegriffen. Entsprechend lauten die Formulierungen für die

Charakterisierung thermisch angetriebener Kältebereitstellung:

Leistungszahl EERTKM = MAntrieb_TK

Kälte_TKM

Q

Q

[kW/kW];

Arbeitszahl sEERTKM = dtQ

dtQ

T

MAntrieb_TK

T

Kälte_TKM

[kWh/kWh].

Rück-Kühler

Ab- /Adsorptions-Kältemaschine

QNutzkälte

Bilanzraum, thermisch

QAntrieb

QKälte_TKM steht dabei für die Nutzkältebereitstellung aus dem thermisch betriebenen Kältepro-

zess. Zur Berechnung der Arbeitszahl wird in EVASOLK immer ein einjähriger Integrationszeit-

raum gewählt.

Bei (s)EERTKM handelt es sich um ein reines Wärmeverhältnis ohne Berücksichtigung des elek-

trischen Hilfsenergiebedarfs; es ist daher nicht mit dem (s)EER der Kompressionskältetechnik

vergleichbar, dies wird mit dem Zusatz …TKM gekennzeichnet. Der EERTKM stellt daher eine Teil-

bewertungsgröße dar.

Kennwerte des EERTKM für unterschiedliche Betriebsbedingungen werden hauptsächlich zur

Modellbildung herangezogen; die Arbeitszahl sEERTKM fließt dagegen in die Bewertung mit ein.

Analog lässt sich als weitere Teilbewertungsgröße der sEERTKM_el definieren, der auf den Elek-

troenergieeinsatz zum Betrieb der thermisch angetriebenen Kühlung bezogen ist:

el. Effizienzzahl sEERTKM_el = dtE

dtQ

T

ie_TKMHilfsenerg

T

Kälte_TKM

[kWh/kWh].


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 71

Rück-Kühler

Ab- /Adsorptions-Kältemaschine

E

Elektro-energie

Bilanzraum

QNutzkälte

Solar Antrieb

Der Elektroenergieeinsatz umfasst elektrische Hilfsenergie für Pumpen9, Kältemaschine und Rückkühlung (s. Bilanzraum). Der Stromverbrauch für die Kaltwasserverteilungspumpe wird immer bilanziert; wenn dieser Stromverbrauch mit in die Darstellung des sEERTKM_el einfließt, so wird dies entsprechend vermerkt.

sEERTKM_el lässt Vergleiche mit dem sEERKKM der Kompressionskältetechnik hinsichtlich des

Elektroenergieeinsatzes zu und sollte deutlich oberhalb des letzteren liegen. Für eine umfas-

sende Bewertung müssen die Primärenergieaufwendungen der Gesamtsysteme herangezogen

werden, jedoch ist bereits absehbar, dass bei einem sEERTKM_el im gleichen Wertebereich des

sEERKKM im Referenzsystem ein energetischer Vorteil der thermisch angetriebenen Variante in-

frage gestellt ist.

Primärenergieeinsparung, CO2-Vermeidung

Die Primärenergieeinsparung in den regenerativ unterstützten Optionen (ST, Ref+PV) berech-

net sich aus

PEn = (PEn,Referenz – PEn,SolareVariante) [kWh],

mit PEn,v als Primärenergieaufwand in der Option v über den Zeitraum n (betrachteter Gesamt-

zeitraum in EVASOLK: Lebenszyklus LC=20 Jahre). Zur Berechnung des Primärenergieeinsatzes

wird der Aufwand an Strom und fossilen Energieträgern zur Deckung des Wärme-, Brauch-

warmwasser- und Kältebedarfs unter Verwendung landesspezifischer Konversionsfaktoren bi-

lanziert.

Da die solare Variante immer Primärenergie einsparen soll, ist PE stets > 0; andere Fälle wer-

den nicht betrachtet.

Die relative Primärenergieeinsparung im Zeitraum n ist dann

PEn,rel = PEn / PEn,Referenz .

9 Für die Berechnung des sEERTKM_el wird der Strombedarf der Solarkreispumpe nur dann berücksichtigt,

wenn Kühlbedarf vorliegt. Für die Erfassung des Primärenergieaufwands werden aber alle Stromaufwendun-gen berücksichtigt.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 72

PEn,rel kann Werte > 1 annehmen, wenn PEn,SolareVariante selbst negativ wird. Dies ist der Fall,

wenn z.B. ein PV-System mehr Primärenergie einspart als durch die versorgungstechnische

Einrichtung benötigt wird.

Die Vermeidung von Treibhausgasemissionen berechnet sich analog aus

EMn = (EMn,Referenz – EMn,SolareVariante) [kg],

mit EMn,v als CO2-Emissionsäquivalent in der Variante v über den Zeitraum n. Da die solare Va-

riante immer geringere CO2-Emissionen aufweisen soll, ist EM stets positiv; andere Fälle wer-

den nicht betrachtet.

Die relative Emissionsvermeidung im Zeitraum n ist dann

EMn,rel = EMn / EMn,Referenz .

Neben der Bilanzierung der Emissionen durch den energetischen Betriebsaufwand fließen in

den Optionen mit konventionellen Komponenten der Kältetechnik in die Berechnung des CO2-

Aufwands auch mittlere Kältemittelverluste mit ein, die sich aus einem jährlichen Verlustansatz

sowie aus einem Verlustansatz nach Lebensende der Komponente zusammensetzen. In Käl-

temittelverlustangaben gibt es eine große Streuung; die Ansätze in EVASOLK sind angelehnt an

mittlere Werte aus TEWI-Betrachtungen des Forschungsrats Kältetechnik:

Füllmenge

Kg Kältemittel

pro kWNennkälte

Verluste durch

Leckagen

% pro Jahr

Verluste bei

Entsorgung

%

Global Warming

Potential

GWP (100)

Kaltwassersatz 0.3 4 30 1300

Multi-Split 0.8 6 30 1300

Kombinierte Bewertungsgrößen

Die optimalen Systemkonfigurationen werden beurteilt nach der Höhe der Primärenergieein-

sparung (bzw. CO2-Vermeidung) und nach deren Kosten. Dabei ist eine kombinierte Bewer-

tungsgröße üblich, die energetische Einsparungen (Emissionsvermeidung) und Kosten zusam-

menfasst, beispielsweise die Kosten der Primärenergieeinsparung (bzw. CO2-Vermeidung).

Die Kosten der Primärenergieeinsparung KPELCC berechnen sich aus

KPELCC = KLCC / PELC [€/kWhPE],

mit KLCC = Lebenszykluskosten [ KLCC, Solare Variante – KLCC, Referenz ]

und PELC = Primärenergieaufwand [ PELC, Referenz – PELC, Solare Variante ].

Zunächst sind daher für jede Option die Lebenszykluskosten (Life Cycle Costs) KLCC zu berech-

nen, die die Summe der annuisierten Investitionskosten (einschl. Installations- und Planungs-

kosten), Betriebs- und Wartungskosten über den 20-jährigen Betrachtungszeitraum darstellen.

Im 20-jährigen Lebenszyklus fallen für Komponenten auf Basis von elektrisch angetriebener

Kompressionskälte(wärme)technik Erstatzkosten an, da für diese Komponenten eine Lebens-

dauer von 15 Jahren angenommen wird. Alle übrigen Komponenten: 20 a Lebensdauer.

Die Differenz zwischen der betrachteten solaren Option und den Lebenszykluskosten der zuge-

hörigen Referenz wird dann bezogen auf die erreichten Primärenergieeinsparungen im Be-

trachtungszeitraum. Damit verbleibt KPELCC > 0, wenn die Lebenszykluskosten der solaren Va-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 73

riante die Kosten der Referenz übersteigen (PELC ist immer > 0; andere Lösungen werden nicht

betrachtet). Mit KPELCC 0 erreicht die solar unterstützte Option wirtschaftliche Vergleichbar-

keit oder sogar Vorteilhaftigkeit gegenüber der Referenz.

Analog werden die Kosten der CO2-Vermeidung berechnet aus

KEMLCC = KLCC / EMLC [€/kWhPE],

mit KLCC = Lebenszykluskosten [ Solare Variante – Referenz ]

und EMLC = Emissionen [ Referenz – Solare Variante ].

Das Sortieren von Maßnahmen mit regenerativer Unterstützung nach Kosten der Primärener-

gieeinsparung oder nach CO2-Vermeidungskosten ist eine gängige Vorgehensweise, um die

wirtschaftlich am günstigsten erscheinenden Maßnahmen zu identifizieren, z.B. in [Vahlen-

kamp, 2007]. Es kann allerdings gezeigt werden, dass bei solchen günstig erscheinenden Maß-

nahmen (Kosten der PE-Einsparung bzw. Vermeidungskosten nach dieser Definition < 0) die

kombinierte Größe allein kein hinreichendes Entscheidungskriterium mehr darstellt [Hen-

ning, 2011] und eine sinnvolle Einordnung der Ergebnisse nicht mehr gewährleistet wird, da

ein Nutzen (Kostenvorteil) durch einen anderen Nutzen (PE-Einsparung, CO2-Vermeidung) di-

vidiert wird. So geht etwa bei der Angabe ausschließlich sehr niedriger Vermeidungskosten die

Information darüber verloren, dass unter Umständen nur sehr geringe PE-Einsparungen er-

reicht werden.

Es sind verschiedene Ansätze denkbar, eine geeignetere Bewertungsgröße zu definieren, die

diesem Nachteil Rechnung trägt. Eine ultimative Bewertungsgröße ist allerdings nicht theore-

tisch begründbar herzuleiten. In EVASOLK wird nach [Henning, 2011]; [BINE, 2009] die additi-

ve Kombination aus den dimensionslosen, relativen Kosten- und umweltbezogenen Einsparun-

gen angewendet:

F12 = [c1] + [c2],

F13 = [c1] + [c3],

mit

c1 = Referenz LCC,

vregenerati LCC,Referenz LCC,

K

K - K =

Referenz LCC,

vregenerati LCC,

K

K1 und

c2 = Referenz LC,

vregenerati LC,

PE

PE1 ,

c3 = Referenz LC,

vregenerati LC,

EM

EM1 .

c1 ist in dieser Definition < 0, wenn die solare Option höhere Lebenszykluskosten als die Refe-

renz versursacht. c2 und c3 sind wieder durch Auswahl von Lösungen mit wirksamer Primär-

energieeinsparung bzw. CO2-Einsparung stets positiv.

In dieser Formulierung können Mehrkosten der solaren Variante (negativ in der Definition von

c1) durch erhöhte positive Umwelteffekte (hoher Wert von c2, c3) kompensiert werden. Vorteil-

haft sind Lösungen, die zu Werten von F12 oder F13 > 0 führen. Primärenergieeinsparung und

Kosten sind hier gemäß der Definition gleichwertig behandelt bzw. gleichgewichtet. Denkbar ist

auch eine andere Gewichtung der einzelnen Terme nach ausgewählten Kriterien. In [Henning,

2012] werden Lebenszykluskosten und Primärenergieeinsparung nicht normiert, aber additiv


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 74

durch eine monetäre Gewichtung der Primärenergieeinsparung (z.B. 0.05 €/KwhPE) verknüpft.

Damit erhält man eine direkte ökonomische Bewertungsgröße.

Qualitativ: Wechselwirkung mit dem Netz

In EVASOLK wird – neben der Vergleichsebene Kosten / Umwelteffekt – auch qualitativ die

Wechselwirkung mit dem Stromnetz zwischen den verschiedenen Optionen betrachtet. Eine

Analyse der physikalischen Auswirkungen auf Netzspannung und Netzfrequenz im lokalen

Netzknoten war im Rahmen des Projektes nicht darstellbar. Es wird daher auf einen Beurtei-

lungsparameter aus dem gebäudetechnischen Bewertungsansatz Net Zero Energy Buildings

NZEB [Voss, 2010] zurückgegriffen, der allerdings hier in einer für den Vergleich geeigneteren

Normierung Verwendung findet: mit dem Jahreswert des Netz-Interaktionsindex fNetz wird die

Fluktuation des Stromaustausches mit dem elektrischen Netz beschrieben. fNetz wird dabei be-

rechnet aus der Standardabweichung der Fluktuationen des Netzstromaustausches, bezogen

auf den Mittelwert der Netzbelastung.

fNetz = iNetz

i Netz,

|P|

P,

mit

PNetz,i = elektrische Leistung ( je nach Flussrichtung) im Zeitintervall i.

PNetz,i ist die Differenz aus [ Pel.Gebäudelast,i – PPV,i ]. Die elektrische Gebäudelast ist die Summe

aus elektrischer Endenergieeinsatz für Heizen, Kühlen, Brauchwarmwasser und aus sonstiger

Gebäudenutzung.

Der Netz-Interaktionsindex kann auch als Parameter zur Beurteilung des Netz-„Stresses“ be-

zeichnet werden: mit zunehmenden Amplituden des Netzstromaustausches steigt der Wert von

fNetz. Die Berechnung des Jahreswertes beruht auf Stundenwerten der Zeitreihen des Netz-

stromaustausches.

Solar-Load match

Mit der Größe Solar-Load match SL wird die zeitliche Übereinstimmung zwischen Solarstrah-

lungsangebot und der Kühllast einer Anwendung (z.B. Gebäudekühllast) quantifiziert. Die Defi-

nition von SL folgt einem Vorschlag von [Heydenreich, 1996], der in ursprünglicher Form zur

quantitativen Übereinstimmung zwischen PV-Stromerzeugung und Haushaltsstrombezug an-

gewendet wurde. Durch die Verwendung von lediglich der horizontalen Globalstrahlung und

der Kühllast wird SL unabhängig von der technischen Ausgestaltung des Kühlsystems oder der

solaren Konverter formuliert.

Mit QSolar,d und QLast,d als tägliche Einstrahlungs- bzw. Kühllastsumme erfolgt zunächst die Nor-

mierung der Einstrahlungsleistungen bzw. Kühllasten für jeden Zeitschritt eines Tages:

P*Solar(t) = PSolar(t) / QSolar,d | mit d=24 Stunden: dt(t)*P

d

Solar = 1

P*Last(t) = PLast(t) / QLast,d | mit d=24 Stunden: dt(t)*P

d

Last = 1.

Mit = dt (t)*P(t)*P Solar

d

Last errechnet sich der dimensionslose Solar-Load match:


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 75

SL = 1 – 0.5 [-] .

Die Skizze veranschaulicht die Bedeutung von SL als Maß für die Übereinstimmung normierter

Zeitreihen der Globalstrahlung (horizontal) und Kühllast. Der Wertebereich reicht von 0 (voll-

ständige Antikorrelation) bis 1 (perfekte Übereinstimmung).

t [h]0 24

PSolar

PLast

Kühllast (normiert)

Globalstrahlung (normiert)

SL

Durch den Bezug auf die Tagesperiode werden mit SL tägliche Übereinstimmungen zwischen

Einstrahlung und Kühllast errechnet. Für größere Zeiträume, z.B. Monate, lassen sich Mittel-

werte aus den Tageswerten bilden.

In der Anwendung ist ein neben einer Bestimmung von SL mit Berücksichtigung des Zeitver-

laufs der Kühllast gegebenenfalls auch ein Vergleich mit einer zeitlich konstanten Last sinnvoll

zur besseren Einordnung der erzielten Ergebnisse. Abbildung 5.2.7 zeigt die Monatswerte

von SL für zwei Standorte.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

mu_SL_Monat mu_SL_Konstantlast_Monat

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

mu_SL_Monat mu_SL_Konstantlast_Monat

BürogebäudeFreiburg Palermo

Anwendung B

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.2.7 Vergleich der Monatsmittelwerte von SL in der Kühlsaison für die Anwendung B, Standorte Freiburg und Palermo. Zur Orientierung ist jeweils die Kurve für eine zeitlich konstante Last ein-getragen (rot).

In der Zusammenstellung der SL - Jahreswerte (Abbildung 5.2.8) ist erkennbar, dass in der Re-

gel die Anwendungen B und B+ die günstigste Übereinstimmung zwischen Kühllastprofil und

Einstrahlungsprofil aufweisen. Allerdings kann daraus nicht – wie ursprünglich erwartet – die

günstigste Anwendungsart für solarthermische Kühlung identifiziert werden; wie in den Er-

gebnissen später gezeigt wird, sind dazu weitere Voraussetzungen notwendig. Für die Option

Ref+PV ergeben sich aber durch die hohen Eigennutzungsanteile des PV-Stroms in diesen An-

wendungen deutliche Vorteile.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 76

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Freiburg

Toulouse

Madrid

Athen

Palermo

Antalya

Bechar

_SL [ Jahreswert ]

A

B

B+

C

C+

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.2.8 Vergleich der Jahreswerte von SL in der Kühlsaison.

5.2.7 Kosten und Preise

Die Investitionskosten setzen sich aus Komponentenkosten, Installations- und Planungskosten

zusammen. Für die Hauptkomponenten wurden Preiskurven als Funktion der Komponenten-

größe bzw. –leistung den Modellrechnungen hinterlegt. Die Preiskurven wurden auf Basis vor-

handener Ansätze und aktueller Einzelpreis-Recherchen gebildet. Abbildung 5.2.9 zeigt die

verwendeten Preiskurven für thermisch angetriebene Kältemaschinen sowie die Einzeldaten

der Preisrecherchen, die teilweise erheblich streuen. Für Ab- und Adsorptionskältemaschinen

im Temperaturbereich > 0°C wurde eine gemeinsame Preiskurve abgeleitet. Für zweistufige

Absorptionskältemaschinen existieren nur Geräte ab ca. 200 kW Nennkälteleistung. In

EVASOLK wurde die Kurve extrapoliert auf kleinere Kälteleistungen, da in den Gebäudeanwen-

dungen B+, C+ die Nennkälteleistung bei ca. 100 kW lag. Weitere Preiskurven wurden ermittelt

für Kollektoren, Wärmeerzeuger, Kompressionskältegeräte, Rückkühlwerke (nass), PV-

Systeme.

Planungs-, Installations- und Wartungskosten sind als pauschaler Prozentsatz der Investitions-

kosten in die Rechnung eingeflossen:


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 77

% der Investkosten

Installation 20* (ST)

30 (Ref, Ref+PV)

Planung 10

Wartung 1 pro Jahr

Sonstige, %

Kapitalzins 5

Preissteigerung Strom 5 pro Jahr

Preissteigerung Gas 3 pro Jahr

* in der solarthermischen Option ist ein Teil der Installationskosten des Kollektorfeldes bereits im Kos-

tenansatz für die Aufständerung enthalten.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1 10 100 1000 10000

Euro

/ k

W

Nennkälteleistung [ kW ]

Thermisch angetriebene KältemaschinenRecherche 1; AbKM; > 0°C

Recherche 1; AdKM

Recherche 1; AbKM; < 0°C

Recherche 2; T > 0°C

Recherche 2; T < 0°C

Recherche 3; AbKM T > 0°C

Recherche 3; 2-stufig

Delphi, Task 38

Quelle: HfT Stuttgart

EVASOLK, 1-stufig, T > 0°C

EVASOLK, 2-stufig

EVASOLK, T < 0°C

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.2.9 Preiskurve für thermisch angetriebene Kältemaschinen (nur TKM-Komponente). Da-tengrundlage bilden Einzelrecherchen und Kostenkurven aus anderen Projektzusammenhängen. Die mit EVASOLK bezeichneten Kurven fanden in der Vergleichsstudie Anwendung. Aufgrund der geringen Preisan-gaben für Absorptionskältemaschinen im Temperaturbereich < 0°C (NH3/H2O) stellt die Kostenkurve für diese Komponente eine Schätzung dar.

Energiepreise für Strom und Gas sowie deren Konversionsfaktoren zur Berechnung des Pri-

märenergieaufwands und der CO2-Emission wurden länderspezifisch eingesetzt. Dabei wird un-

terschieden zwischen Energiepreisen für private Anwendungen (A) und gewerbliche Anwen-

dungen (B, B+, C, C+). Diese Basisdaten sind in Anhang A5.7 zusammengestellt.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 78

5.3 Ergebnisse

5.3.1 Standardkonfigurationen

Im folgenden Abschnitt werden Ergebnisse aus den Standardkonfigurationen der Vergleichs-

studie vorgestellt, d.h., Anwendungen mit einstufiger thermisch angetriebener Kältetechnik,

stationärer Kollektortechnik. Als Wärmeversorger in der Referenz, Ref+PV und als Backup in

der Variante ST dient ein Brennwertkessel. Zusätzlich enthält die Variante ST als Kälte-Backup

eine Kompressionskältemaschine. Eine schematisch einfache Darstellung der Konfigurationen

zeigt Abbildung 5.3.1 .

In den solarthermischen Konfigurationen ST wird jeweils eine Variation der Kollektorart, Kol-

lektorgröße und Art der thermisch angetriebenen Kältemaschine gerechnet. Entsprechend ent-

hält das Ergebnis zu jedem Standort und zu jeder Anwendung eine Schar von Ergebnissen. Ab-

bildung 5.3.2 zeigt als Beispiel Ergebnisse für die Anwendungsart A. Aus dieser Ergebnisschar

wird im Weiteren jeweils nur die günstigste Auslegung dargestellt, also das Ergebnis der Konfi-

guration, die zu minimalen Kosten der Primärenergieeinsparung führt. Führen unterschiedli-

chen Auslegungsgrößen des Kollektors zum Beispiel zu gleichen spezifischen Kosten, aber zu

unterschiedlichen Primärenergie- oder CO2-Einsparungen, wird die Auslegung mit dem höchs-

ten positiven Umwelteffekt gewählt.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 79

FK / VK

Elektrizität

fossilerBrennstoff

PECO2

PECO2 TKM Speicher

Solar

Heizen

Warm-wasser

Kühlen,entf.

Ab-wärme

Speicher

GK

Speicher

Rück-kühler

Rück-kühler

KKM

Kreislauf-pumpen

Ab-wärme

Umweltenergie

Anwen-dung

Aufwand

Wasser

(H)FKW:ja (KKM)

Umweltenergie

Wärmeträger

Endenergie

Hilfsstoffe

ST

Elektrizität

fossilerBrennstoff

PECO2

PECO2

Heizen

Warm-wasser

Kühlen,entf.

Ab-wärme

Speicher

GK

Rück-kühler

KKM

Kreislauf-pumpen

Umweltenergie

Anwen-dung

Aufwand

(H)FKW:ja (KKM)

Umweltenergie

Wärmeträger

Endenergie

Hilfsstoffe

Referenz

Elektrizität

fossilerBrennstoff

PECO2

PECO2

Heizen

Warm-wasser

Kühlen,entf.

Ab-wärme

Speicher

GK

Rück-kühler

KKM

Kreislauf-pumpen

Umweltenergie

Anwen-dung

Aufwand

(H)FKW:ja (KKM)

Solar

Wechselrichter

PV

Umweltenergie

Wärmeträger

Endenergie

Hilfsstoffe

Ref + PV

Abbildung 5.3.1 Vereinfachte Darstellung der Standardkonfigurationen, hier mit dem Versorgungsbe-darf Kühlen, Heizen und Brauchwarmwasser. Rechts sind die Untersuchungsstandorte angegeben.

Freiburg (DE)Toulouse (FR)Madrid (ES)Palermo (IT)Athen (GR)


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 80

Anwendung nStandort m



k Variationen (Kollektor, TKM)

Kostengünstigste Variante

Fraunhofer ISE

Solarthermische Optionen,Stand der Technik

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]

rel. PE - Einsparung

Anwendung A

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Sola

re D

ecku

ng,

hei

zen

+ B

WW

Solare Deckung, kühlen

Anwendung A

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

rel.

PE

-Ei

nsp

aru

ng

rel. CO2 - Vermeidung

Anwendung A

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

KP

E LC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung A

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Fraunhofer ISE

Fraunhofer ISE

Fraunhofer ISE

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.3.2 Ablaufschema zur Identifikation der günstigsten solarthermischen Lösungen. Die Teil-bilder zeigen Ergebnisse der Simulationsrechnungen für die unterschiedlichen Standorte am Beispiel der Anwendungsart A (mit Kälte-Backup). Es ergibt sich jeweils eine Ergebnisschar durch die unterschiedlichen Kollektortypen, Kollektorflächen und Art der TKM. Aus dieser Schar wird für jeden Standort die kostengüns-tigste Konfiguration herausgegriffen (ganz unten rechts) für den Vergleich mit den Rechnungen aus der Re-

ferenz und aus Referenz+PV.

Anwendungen A, B, C

Die folgenden Abbildungen zeigen die relativen Primärenergieeinsparungen, CO2-Vermeidun-

gen und deren spezifische Kosten (ST: nur Konfigurationen mit den minimalen Vermeidungs-

kosten). Die Grafiken enthalten den Vergleich zwischen den Optionen ST mit der Referenz sowie

den Vergleich mit den Optionen Referenz+PV mit der Referenz. Den Grafiken kann entnommen

werden:

In der Anwendung A führen die solarthermischen Optionen noch zu deutlichen Mehrkos-

ten gegenüber der Referenz im Vergleich zur Option Ref+PV; letztere führt in der Regel be-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 81

reits zu Kosteneinsparungen. Allerdings sind in ST die relativen Einsparungen (PE und

CO2) höher als in Ref+PV. Diese Einsparungen erhöhen sich noch deutlich bei den solar-

thermischen Anwendungen ohne Kälte-Backup;

In der Anwendung B führen die solarthermischen Optionen zu sehr ausgeprägten Mehr-

kosten gegenüber der Referenz. Die Optionen Ref+PV weisen Kostenneutralität bzw. leichte

Kostenvorteile gegenüber der Referenz auf. Ebenfalls sind die PE-Einsparungen dieser Op-

tion höher als in ST. Nachteilig in der solarthermischen Option wirkt sich hier aus, dass

überwiegend elektrischer Strom substituiert wird (kein Brauchwarmwasser- und teils ge-

ringer Heizwärmebedarf); dies ist nicht ausreichend, um zu attraktiven Kosten zu gelan-

gen. In der Laststruktur von B tritt auch an den Wochenenden verringerter Kühlbedarf auf,

entsprechend sinkt die Ausnutzung des thermischen Kollektorsystems. Damit ist insgesamt

die Option Ref+PV auch primärenergetisch überlegen, allerdings nicht hinsichtlich der rela-

tiven CO2-Einsparungen;

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KEM

LCC

[ Eu

ro /

kg

CO

2]

rel. CO2 - Einsparung

Anwendung A ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7) Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KEM

LCC

[ Eu

ro /

kg

CO

2]


Anwendung A Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung A ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7) Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung A Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

Fraunhofer ISE Fraunhofer ISE


Abbildung 5.3.3 Anwendung A. Standardkonfiguration mit Gaskessel und Kälte-Backup in den solar-thermischen Varianten. Grafiken links: jeweils Kosten der Primärenergieeinsparung über der relativen PE-Einsparung; Grafiken rechts: jeweils Kosten der CO2-Vermeidung über der relativen CO2-Vermeidung.

Oben: Standardkonfiguration mit Kälte-Backup in den solarthermischen Varianten; unten: ohne Kälte-Backup (nur Varianten, die zu einer Deckung der Kühllast > 70 % führen).

In der Anwendung C führen die solarthermischen Optionen zwar noch zu Mehrkosten ge-

genüber der Referenz, diese liegen aber an günstigen Standorten mit < 10 €-cent/kWhPE

deutlich niedriger als in den anderen Anwendungen. Kostenvorteile der Optionen Ref+PV

sind dennoch vorhanden. Aber die relativen Einsparungen der solarthermischen Optionen


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 82

sind hoch im Vergleich zu anderen Optionen. Dies ist eine Folge der hohen zusätzlichen

Nutzung des Kollektorfeldes für Brauchwarmwasserbereitung.

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

min

. KEM

LCC

[ Eu

ro /

kg

CO

2]


Anwendung B ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7)

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

min

. KEM

LCC

[ Eu

ro /

kg

CO

2]


Anwendung B Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung B ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7)

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung B Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV



Abbildung 5.3.4 Anwendung B. Standardkonfiguration mit Gaskessel und Kälte-Backup in den solar-thermischen Varianten. Grafiken links: jeweils Kosten der Primärenergieeinsparung über der relativen PE-Einsparung; Grafiken rechts: jeweils Kosten der CO2-Vermeidung über der relativen CO2-Vermeidung.

Oben: Standardkonfiguration mit Kälte-Backup in den solarthermischen Varianten; unten: ohne Kälte-Backup (nur Varianten, die zu einer Deckung der Kühllast > 70 % führen).

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KEM

LCC

[ Eu

ro /

kg

CO

2]


Anwendung C Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]



Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV


Abbildung 5.3.5 Anwendung C. Standardkonfiguration mit Gaskessel und Kälte-Backup in den solar-thermischen Varianten. Grafiken links: jeweils Kosten der Primärenergieeinsparung über der relativen PE-Einsparung; Grafiken rechts: jeweils Kosten der CO2-Vermeidung über der relativen CO2-Vermeidung.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 83

Tabelle 5.3.1 fasst die Jahresarbeitszahlen der Kälteversorgungskomponenten aus den Simula-

tionsrechnungen aller Varianten zusammen. Die erreichten Arbeitszahlen sind standortabhän-

gig sowie abhängig von der Konfiguration (Kollektortyp und –größe, TKM-Typ), daher ist in der

Tabelle die erreichte Bandbreite der Arbeitszahlen eingetragen. In den ST-Optionen führt z.B.

ein kleines Kollektorfeld an einem ungünstigen Standort zu nur geringen Betriebsstunden der

thermisch angetriebenen Kälteversorgung. Entsprechend wird dort auch der sEERel,total , der

den Quotienten aus gesamter Kälteerzeugung und gesamtem Elektroenergieeinsatz für die

thermisch und elektrisch betriebene Kälteversorgung darstellt, von der Arbeitszahl des Kälte-

Backups dominiert.

Option Referenz, Ref+PV ST

KKM: Multi-Split

KKM (Backup): Kaltwassersatz

TKM: AbKM, AdKM

TKM+KKM

EE

RK

KM

,no

m

sEE

RK

KM

EE

RK

KM

,no

m

sEE

RK

KM

sEE

RT

KM

sEE

RT

KM

,el

sEE

Rel

,to

tal*

Anwendung A 2.9 2.9 - 3.6 2.9 3.6 - 4.0 0.49 - 0.64 7.2 - 9.1 4.0 - 5.7

Anwendung A ohne Kälte-Backup

2.9 2.9 - 3.6 - - 0.49 - 0.65 6.9 - 9.3 5.2 - 7.2**

Anwendung B 2.9 2.8 - 3.5 2.9 3.4 - 4.0 0.51 - 0.67 7.5 - 10.2 4.4 - 7.5

Anwendung B ohne Kälte-Backup

2.9 2.8 - 3.5 - - 0.51 - 0.67 7.7 - 10.3 5.8 - 8.0**

Anwendung C 2.9 2.7 - 3.2 2.9 3.3 - 4.0 0.50 - 0.64 7.3 - 9.1 3.9 - 5.1

Tabelle 5.3.1 Kälteversorgung mit elektrischen Kompressionskälteaggregaten und mit thermisch an-getriebenen Kältemaschinen: EER-Nennwerte und saisonale thermische und elektrische Arbeitszahlen. In der letzten Spalte ist die gesamte elektrische Arbeitszahl der solarthermischen Varianten angegeben (Käl-teerzeugung / Summe Elektroenergieeinsatz für Kälteerzeugung thermisch und elektrisch). Die Bandbreite der Werte wird durch Standortabhängigkeit und durch die Konfigurations-Variationen geprägt. Bei gerin-ger Nutzung der TKM (z.B. durch zu kleinen Kollektor, wenig Volllast-Betriebsstunden) nähert sich der sEERel,total dem sEERKKM des Kälte-Backups an.

* einschließlich Kaltwasserverteilungspumpe

** keine KKM

Anwendungen B+, C+

Die spezifischen Kosten der Primärenergieeinsparung sind für die Anwendungen B+ und C+ in

Abbildung 5.3.6 über der relativen Primärenergieeinsparung aufgetragen. Die Grafiken enthal-

ten den Vergleich zwischen den Optionen ST mit der Referenz sowie den Vergleich mit den Op-

tionen Referenz+PV mit der Referenz.

In den Anwendungen B+ zeigen sich bedingt durch die gute Korrelation zwischen Stromerzeu-

gung und lokaler zeitgleicher Stromverwendung große Vorteile der Optionen Referenz+PV ge-

genüber den ST-Optionen sowohl in den Kosten als auch in der Höhe der Primärenergieeinspa-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 84

rungen. Auch die relativen CO2-Vermeidungen sind in Ref+PV teilweise höher. Nachteilig in der

solarthermischen Option wirkt sich hier aus, dass überwiegend elektrischer Strom substituiert

wird (kein Brauchwarmwasserbedarf); dies ist nicht ausreichend, um zu attraktiven Kosten zu

gelangen. In der Laststruktur von B+ tritt auch an den Wochenenden verringerter Kühlbedarf

auf, entsprechend sinkt die Ausnutzung des thermischen Kollektorsystems. In der Option Refe-

renz+PV können relative PE-Einsparungen > 100% auftreten; dies bedeutet, dass die Primär-

energieeinsparung (durch Bezugsvermeidung el. Strom) den Primärenergieaufwand für die

Klimatisierung (Kühlen, Heizen und ggfs. BWW) überschreitet.

Sehr unterschiedlich dazu stellt sich die Situation in der Anwendung C+ dar. Durch die hohe

Substitution fossiler Brennstoffe zusätzlich für die Brauchwarmwasserbereitung ergeben sich

deutlich niedrigere Kosten in den solarthermischen Optionen; wenn auch noch nicht vergleich-

bar mit der Option Ref+PV. Zusätzlich sind in der solarthermischen Option die erreichten relati-

ven PE-Einsparungen und CO2-Vermeidungen deutlich höher. Die Ergebnisse sind tendenziell

sehr vergleichbar mit der Anwendung C (kleinerer Leistungsbereich, ähnliche Laststruktur).

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KEM

LCC

[ Eu

ro /

kg

CO

2]


Anwendung C+

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

min

. KEM

LCC

[ Eu

ro /

kg

CO

2]


Anwendung B+

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung B+

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung C+

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV



Abbildung 5.3.6 Anwendungen B+ und C+. Standardkonfiguration mit Gaskessel und Kälte-Backup in den solarthermischen Varianten. Links: Kosten der Primärenergieeinsparung über der relativen PE-Einsparung. Rechts: spezifische CO2-Vermeidungskosten über der relativen CO2-Vermeidung.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 85


KKM: Kaltwassersatz


TKM: AbKM, AdKM

TKM+KKM

EE

RK

KM

,no

m

sEE

RK

KM

*

EE

RK

KM

,no

m

sEE

RK

KM

sEE

RT

KM

sEE

RT

KM

,el

sEE

Rel

,to

tal*

Anwendung B+ 3.0 3.5 - 3.9 3.0 3.7 - 4.1 0.51 - 0.67 7.5 - 9.0 4.7 - 7.0

Anwendung C+ 3.0 3.5 - 3.9 3.0 3.3 - 4.0 0.50 - 0.64 7.5 - 9.0 4.1 - 5.4

Tabelle 5.3.2 Kälteversorgung in den Anwendungen B+ und C+: EER-Nennwerte und saisonale ther-mische und elektrische Arbeitszahlen. Die Bandbreite der Werte wird durch Standortabhängigkeit und durch die Konfigurations-Variationen geprägt.


Einfluss der TKM-Auslegung

In den Anwendungen mit größerer Leistungsklasse ist die Möglichkeit gegeben, die Leistung

der thermisch betriebenen Kältetechnik nicht auf die Lastspitzen, sondern deutlich kleiner zu

dimensionieren. Den Rechnungen der oben gezeigten Ergebnisse lag die Auslegung der TKM-

Nennleistung auf 75 % der maximal auftretenden Kühllast zugrunde (s. Kapitel 5.2.3). Die Kühl-

lastspitzen treten jedoch nur in wenigen Stunden des Jahres auf; mit einer kleineren Auslegung

werden daher Investitionskosten eingespart, ohne dass dies zwangsläufig mit großen Einbußen

der solarthermischen Deckung des Kühlbedarfs einhergeht.

Abbildung 5.3.7 zeigt die Sinnhaftigkeit des Ansatzes am Beispiel der Anwendung C+: trotz ei-

ner Auslegung der TKM auf nur 33 % der maximalen Kühllast im Gebäude verringern sich die

PE-Einsparungen und CO2-Vermeidung nicht signifikant, aber die spezifischen Kosten der Ein-

sparungen sinken stark; im Einzelfall wird nahezu Kostenneutralität gegenüber der Referenz

erreicht. Die Auslegung der thermisch angetriebenen Kälteversorgung ist damit in großen An-

lagen mit Backup-System eine wichtige Steuergröße zur Kostensenkung.

Im aufgeführten Beispiel wurde zur Aufrechthaltung der solarthermisch gestützten Brauch-

warmwasserbereitung die Kollektorfläche in geringerem Umfang als die TKM-Größe reduziert.

Für den 20-jährigen Betrachtungszeitraum sind in Abbildung 5.3.8 die prozentuale Verteilung

der Lebenszykluskosten auf die Kostensparten Invest (einschl. Installation und Planung), War-

tung, Betriebskosten Strombezug und Bezug fossiler Wärmeträger sowie die Kostensparte

Wasser zur Rückkühlung dargestellt. Dabei sind die beiden Auslegungsvarianten der TKM mit

75 % bzw. 33 % (bezogen auf maximale Kühllast) enthalten. Im Vergleich zur Anwendung B+

hebt sich in der Anwendung C+ insbesondere der Kostenanteil durch den Einsatz fossiler

Brennstoffe für Brauchwarmwasserbereitung hervor. In der TKM-Auslegung 33 % steigen die

Kostenanteile Strombezug und Fossil durch den häufigeren Einsatz der Backup-Systeme im

Vergleich zur 75 %-Auslegung an, insgesamt verringern sich jedoch die absoluten Lebenszyk-

luskosten und führen zu den in Abbildung 5.3.7 gezeigten günstigeren Vermeidungskosten.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 86






Auslegung TKM(Verringerung Nennkälteleistung)

Fraunhofer ISE


-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung C+ ; PTKM 33% Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KEM

LCC

[ Eu

ro /

kg

CO

2]



Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV


Abbildung 5.3.7 Anwendung C+. Verringerung der Nennkälteleistung der thermisch angetriebenen Käl-temaschine auf 33 % der max. Kühllast (in Standardauslegung: 75 %). Links: Kosten der Primärenergieein-sparung über der relativen PE-Einsparung. Rechts: spezifische CO2-Vermeidungskosten über der relativen CO2-Vermeidung.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Inve

st 2

0a

Inve

st 1

5a

War

tun

g

Stro

mb

ezu

g

Foss

il

Was

ser

% d

er L

eben

szyk

lusk

ost

en

Anwendung C+; Madrid

TKM: 75%

TKM: 33%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Inve

st 2

0a

Inve

st 1

5a

War

tun

g

Stro

mb

ezu

g

Foss

il

Was

ser

% d

er L

eben

szyk

lusk

ost

en

Anwendung B+; Madrid

TKM: 75%

TKM: 33%

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.3.8 Solarthermische Option: Anteile der Lebenszykluskosten (über den Zeitraum von 20 Jahren auflaufende Kosten) für den Standort Madrid; Anwendungen B+ (links) und C+ (rechts). Die Sum-me der Anteile beträgt jeweils 100%. In der Anwendung B+ verkleinert sich das Kollektorfeld linear mit der Verringerung der TKM-Leistung; in C+ fällt die Verkleinerung des Kollektorfeldes jedoch geringer aus, um noch genügend hohe Anteile des Brauchwarmwasserbedarfs zu decken (wirkt sich kostensenkend aus). Da-her ist hier der Unterschied in der Aufteilung der Investkosten 20a (beinhaltet Kollektorfeldkosten) zwischen den beiden Auslegungen 75 % und 33 % TKM-Größe gering.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 87

Einfluss der Investitionskosten von Kollektor und TKM

Die Investitionskosten im Bereich der solarthermischen Kühlung sind noch sehr hoch. In den

Hauptkomponenten Kollektorfeld und thermisch angetriebenes Kältesystem sind jedoch Kos-

tensenkungen denkbar und auch teilweise benannt. In [Albers, 2012] ist eine günstige Kosten-

prognose für eine neue Absorptionskältemaschine (> 50 kW Nennkälteleistung) enthalten,

wenn von einer Serienproduktion ausgegangen werden kann. In [Jakob, 2012] werden Zielvor-

stellungen zur Senkung der Systemkosten solare Kühlung um ca. 30 % erwähnt, in [BSW, 2012]

werden mittelfristig (2030) Kostensenkungen für das Kollektorsystem bis ca. 40 % prognosti-

ziert, realisierbar durch Technologiesprünge im Bereich der Kollektorentwicklung und durch

Kostensenkungen im Installationsbereich. Gleichzeitig wird auf internationaler Ebene an einer

verbesserten Qualitätssicherung und Standardisierung gearbeitet, die sich ebenfalls positiv auf

die Kostenseite auswirken sollen [IEA-SHC Task 48].

In der Vergleichsstudie wurden die Investitionskostensenkungen in folgender Weise eingesetzt:

Szenario S0: Ausgangslage

S1: Verringerung der Kollektorsystemkosten um -10 %

S2: Kollektorsystemkosten -10%, TKM-Systemkosten -25 %

S3: Kollektorsystemkosten -40%, TKM-Systemkosten -50 % .

Der Ansatz S3 ist damit ein sehr ausgeprägter Kostensenkungsansatz und voraussichtlich nicht

im Allgemeinen kurzfristig umsetzbar. Die anderen Ansätze sind hingegen eventuell schon ge-

genwärtig durch Preisabweichungen bzw. mittelfristig durch Marktentwicklungen realistisch.

Abbildung 5.3.9 zeigt die Auswirkungen der Annahmen für verschiedene Anwendungen an je-

weils zwei Standorten. Mit den Annahmen in S2 geraten einige Anwendungen bereits in die Nä-

he der Kostenneutralität gegenüber der Referenz; mit den Annahmen in S3 wird diese in der

Anwendung C+ erreicht bzw. unterschritten.

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]

min. KLCC / Qth [ Euro / kWhQ_th ]

Einfluss Kostenszenario

A Athen; S0-S3

A Madrid; S0-S3

C Athen; S0-S3

C Toulouse; S0-S3

C+ Athen; S0-S3

C+ Toulouse; S0-S3

S0S1

S2

S3

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.3.9 Auswirkung der Kostenszenarien in der solarthermischen Option in den Anwendungen A, C und C+. Die Kosten der Primärenergieeinsparung sind aufgetragen über den Kosten pro kWh thermi-scher Nutzenergie (Summe Heizen, Kühlen, BWW). Alle Konfigurationen mit Standardauslegung der TKM.

Mit Berücksichtigung einer optimierten Auslegung der TKM führt die Anwendung der Kosten-

szenarien zu weiteren Kostensenkungen; dies ist in Abbildung 5.3.10 für die Anwendung C+


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 88

dargestellt. Mit dem Kostenansatz S2 wird im Einzelfall bereits Kostenneutralität gegenüber

der Referenz erreicht. Das Szenario S3 zeigt, dass teilweise vergleichbare spezifische Einspa-

rungs- bzw. Vermeidungskosten wie in Ref+PV erreicht werden, aber bei deutlich höheren Ein-

sparungen.






Auslegung TKM(Verringerung Nennkälteleistung)

Einfluss Kostensenkungen

Fraunhofer ISE


-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KEM

LCC

[ Eu

ro /

kg

CO

2]



Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KEM

LCC

[ Eu

ro /

kg

CO

2]



Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]



Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]



Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

S2

S3



Abbildung 5.3.10 Anwendung C+. Verringerung der Nennkälteleistung der thermisch angetriebenen Käl-temaschine auf 33 % der max. Kühllast (in Standardauslegung: 75 %) und Anwendung der Kostenszenarien S2 (oben) und S3 (unten). Links: Kosten der Primärenergieeinsparung über der relativen PE-Einsparung. Rechts: spezifische CO2-Vermeidungskosten über der relativen CO2-Vermeidung.

Die Ergebnisse zeigen, dass in der solarthermischen Kühlung bestimmte Voraussetzung erfüllt

sein müssen, um im Vergleich mit einer konventionellen Gebäudeversorgung (Referenz) oder in

deren Erweiterung mit netzgekoppelter PV (Ref+PV) wirtschaftlich vorteilhaft zu erscheinen:


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 89

Umfassende Nutzung des Kollektorsystems für Kühlen, Heizungsunterstützung und für

hohen Brauchwarmwasserbedarf;

Bei vorhandenem Kälte-Backup: möglichst keine Auslegung der TKM-Leistung auf das

Kühllastmaximum;

Moderate bis ausgeprägte Kostensenkungen in den Schlüsselkomponenten;

Auswahl geeigneter Standorte; in DE ist beispielsweise unter den getroffenen Annah-

men Wirtschaftlichkeit schwer erreichbar;

Wenn mit den Komfortansprüchen vereinbar, ist in der solarthermischen Kühlung im-

mer eine Konfiguration ohne Kälte-Backup vorzuziehen.

5.3.2 Andere Konfigurationen

Konfigurationen mit Wärmepumpen

Es wurden in der Vergleichsstudie Konfigurationen mit nicht-reversiblen und mit reversiblen

Wärmepumpen untersucht. Die Ergebnisse sind in der Tendenz (Kostenvor- und Nachteile der

solaren Kühlung, relative PE-Einsparungen und CO2-Vermeidungen) ähnlich den Ergebnissen

aus den Berechnungen mit Standardkonfigurationen mit Gaskessel. Es werden daher nur einige

der Ergebnisse aufgeführt.

Abbildung 5.3.11 zeigt die vereinfachten Schemata für Konfigurationen mit reversibel arbeiten-

der Wärmepumpe zum Heizen (+BWW) und Kühlen. Im Prinzip ist eine hohe Anzahl von Ver-

schaltungen des Wärmepumpensystems mit und ohne Nutzung solarer Vorwärmung auf der

Niedertemperaturseite möglich. Den Modellierungen in der Vergleichsstudie liegt zugrunde:

solare Wärme wird nicht zur Vorwärmung der Außenluft für den WP-Betrieb genutzt, son-

dern wird direkt zur Wärmeversorgung (Heizen, BWW) eingesetzt;

es wird nur Luft-Wasser-Wärmepumpentechnik betrachtet; dies spiegelt den aktuellen

Markttrend wieder;

eine elektrische Zusatzheizung ist nicht vorhanden.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 90

ST

Fraunhofer ISE

FK / VK

ElektrizitätPE

CO2 TKM

Solar

Heizen

Kühlen

Speicher

Rück-kühler

Kreislauf-pumpen

Ab-wärme

Umweltenergie

Anwen-dung

Aufwand

Wasser

(H)FKW:ja (KKM,WP)

Umweltenergie

Wärmeträger

Endenergie

Hilfsstoffe

WP

KKM

reversibel

Speicher

Außenluft

Ab-wärme

Warm-wasser

Speicher

ElektrizitätPE

CO2

Heizen

Kühlen

WP

KKM

Kreislauf-pumpen

Umweltenergie

Anwen-dung

Aufwand

(H)FKW:ja (KKM,WP)

Umweltenergie

Wärmeträger

Endenergie

Hilfsstoffe

reversibel

Außenluft

Ab-wärme

Warm-wasser

Speicher

Solar

Wechselrichter

PV

Ref + PV

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.3.11 Vereinfachte Darstellung der Konfigurationen mit reversibler Wärmepumpe, hier mit dem Versorgungsbedarf Kühlen, Heizen und Brauchwarmwasser. Rechts sind die Untersuchungsstandorte angegeben. In der Option Referenz entfallen die Komponenten des PV-Generators.

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung C+

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung B+

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

WP, reversibel


Abbildung 5.3.12 Konfigurationen mit reversibler Wärmepumpe; Anwendungen B+ und C+. Standardaus-legung der Nennkälteleistung der thermisch angetriebenen Kältemaschine (75 % der max. Kühllast). Kosten der Primärenergieeinsparung über der relativen PE-Einsparung.

Freiburg (DE)Toulouse (FR)Madrid (ES)Palermo (IT)Athen (GR)


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 91

Aus den Berechnungen mit reversibler Wärmepumpe sind Ergebnisse für die Anwendungen B+

und C+ in Abbildung 5.3.12 dargestellt. Wie auch aus den anderen Konfigurationen ableitbar,

sind hier die primärenergetischen Vorteile der solarthermischen Kühlung wieder in Anwen-

dungen mit zusätzlich hohem Brauchwarmwasserbedarf gegeben, wenngleich die spezifischen

Kosten der Einsparung noch höher als in der Option Rev+PV sind. Diese Kosten können wieder

wie im vorangegangenen Beispiel (Konfiguration mit Gaskessel; Abb. 5.3.10) gesenkt werden

durch eine kleinere Auslegung der TKM und durch die Kostenprognosen.

2-stufige TKM mit konzentrierenden Kollektoren

An zwei sonnenreichen Standorten wurde die Konfiguration der Gebäudekühlung mit 2-

stufiger Absorptionskältetechnik untersucht.

Die Antriebswärme wird auf einem Temperaturniveau > 150 °C benötigt, dazu sind einachsig

nachgeführte Solarkollektoren notwendig. 2-stufige TKM sind derzeit nicht im kleinen Kälte-

leistungsbereich verfügbar, daher wurden nur die Anwendungen B+ und C+ analysiert. Der Vor-

teil in der Anwendung 2-stufiger Sorptionstechnik liegt in der hohen thermischen Leistungs-

zahl, die eine kleinere Kollektorfläche voraussetzt. Da auch der Gesamtwärmeeinsatz für die

Rückkühlung erheblich kleiner ist als in der einstufigen Technik, lassen sich hier ebenfalls In-

vestitionskosten und Betriebskosten einsparen. Die Rückkühlung erfolgt – wie in den bisheri-

gen Modellannahmen – ebenfalls über Nasskühltürme10. Das vereinfachte Anlagenschema ent-

spricht im Prinzip der Standardkonfiguration in Abbildung 5.3.1, mit Ausnahme der Nutzung

nachgeführter Kollektoren statt stationärer Kollektortechnik.

Abbildung 5.3.13 zeigt die Vermeidungskosten für die kostengünstigsten Varianten. Als sinnvoll

erwies sich eine Auslegung der thermisch angetriebenen Kältetechnik auf 50 % der maximalen

Kühllast. Obwohl prinzipiell durch kleinere spezifische Kollektorflächen und durch geringeren

Leistungsbedarf in der Rückkühlung die Einsparung von Investitionskosten möglich ist, kon-

kurrieren die solarthermischen Optionen insbesondere in nordafrikanischen Regionen gegen

sehr niedrige Stromkosten; dadurch sind auch die Einsparpotenziale relativ gering. Es ergibt

sich grundsätzlich ein ähnliches Bild wie in den vorangegangenen Darstellungen: die solar-

thermischen Optionen sind im Vergleich zur Referenz und zu Ref+PV wirtschaftlich interessant,

wenn zusätzlich fossile Brennstoffe für Warmwasserbereitung eingespart wird (Anwen-

dung C+). Am Standort Bechar wird nahezu Kostenneutralität zur Referenz erreicht.

10 Während in der einstufigen Ab-/Adsorptionstechnik im Prinzip auch die trockene Rückkühlung anwendbar ist und dies auch in verschiedenen Anwendungen erprobt wird, ist ein Betrieb 2-stufiger Absorptionskältean-lagen nur mit nasser Rückkühlung sinnvoll. Dies kann allerdings deren Anwendungsmöglichkeiten aufgrund häufigen Frischwassermangels gerade in den Zielregionen einschränken.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 92




Variationen (Kollektorgröße)


Auslegung TKM (Verringerung Nennkälteleistung)

Fraunhofer ISE

Solarthermische Optionen;2-stufige AbKM,

linear konzentrierender Kollektor

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung C+ ; PTKM 50%

Bechar, ST, 2-stufig

Antalya, ST, 2-stufig

Bechar, Ref+PV

Antalya, Ref+PV

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KEM

LCC

[ Eu

ro /

kg

CO

2]





Bechar, Ref+PV

Antalya, Ref+PV

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KEM

LCC

[ Eu

ro /

kg

CO

2]


Anwendung B+ ; PTKM 50%



Bechar, Ref+PV

Antalya, Ref+PV

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung B+ ; PTKM 50%



Bechar, Ref+PV

Antalya, Ref+PV



Abbildung 5.3.13 Konfigurationen mit 2-stufiger Absorptionskältetechnik und konzentrierender Kol-lektortechnik in der Option ST ; Anwendungen B+ und C+. Auslegung der Nennkälteleistung der thermisch angetriebenen Kältemaschine: 50 % der max. Kühllast. Kosten der Primärenergieeinsparung über der rela-tiven PE-Einsparung (links) sowie Kosten der CO2-Vermeidung über der relativen CO2-Vermeidung (rechts).

Mischsystem: Solarthermisch + PV

Die Vorteile hoher Primärenergieeinsparung in einigen solarthermischen Varianten können im

Prinzip gekoppelt werden mit den Vorteilen der Kostenneutralität oder Kosteneinsparung pho-

tovoltaischer Optionen. Dazu wird die Anwendung C+ am Standort Palermo betrachtet. Hier

ergab die Option ST mit der 33 %-Auslegung der TKM vergleichsweise günstige Werte in den

Kosten der Primärenergieeinsparung. Wird dieser solarthermischen Konfiguration noch ein PV-

Generator in begrenzter Leistung hinzugefügt, verbessert sich die Wirtschaftlichkeit leicht und

die Primärenergieeinsparung erhöht sich deutlich. Die PV-Generatorleistung wurde dabei in

drei Stufen an die elektrische Nennleistungsaufnahme des Kompressionskälte-Backup ge-

knüpft; Abbildung 5.3.14 zeigt die Auswirkungen für PV-Nennleistungen von 10 %; 20 % und

Antalya (TR)Bechar (DZ)


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 93

33 % der elektrischen Leistungsaufnahme der KKM. Die Eigennutzungsanteile des PV-Stroms

liegen in diesen Auslegungen bei ca. 86 % (Auslegung 33 %) bzw. deutlich über 90 % (Ausle-

gung 20 %, 10 %).

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]



Palermo, ST

Palermo, ST+PV (10%)



Palermo, Ref+PV

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.3.14 Anwendung C+, Standort Palermo: spezifische Kosten der Primärenergieeinsparung und relative Primärenergieeinsparung für die Option ST, Ref+PV und für drei Mischoptionen mit unter-schiedlicher PV-Auslegung.

5.3.3 Abschätzungen zu optimierter TKM-Technik

Mit einer Abschätzung wurde der Einfluss einer erhöhten Komponenteneffizienz in den solar-

thermischen Optionen abgeschätzt. In den Modellierungen zum Stand der Technik sind Effizi-

enzwerte herkömmlicher hydraulischer Komponenten (Pumpen, Ventilator im Rückkühlkreis)

eingesetzt, die den elektrischen Hilfsenergiebedarf bestimmen.

In Abbildung 5.3.15 ist für die solarthermische Option am Beispiel der Anwendung C+ der Jah-

reswert der gesamten elektrischen Effizienz sEERtotal,el angegeben (linke Abbildung; Stand der

Technik). Dieser Wert errechnet sich aus der Kältebereitstellung (TKM+KKM), bezogen auf den

dafür erforderlichen Gesamtelektroenergieeinsatz. Während beispielsweise allein der

sEERTKM,el aus den Modellrechnungen am Standort Palermo ca. 8.2 beträgt (Mittelwert über Va-

riationen Kollektorgröße und –art, TKM-Typ), wird sEERel,total durch den zusätzlichen Strombe-

darf für den konventionellen Backup (und durch Berücksichtigung der Kaltwasserverteilpum-

pe) auf ca. 4.6 abgesenkt. Die Gesamt-Effizienzwerte der solarthermischen Optionen sind dar-

gestellt über den sEERKKM –Werten der Referenz. Der Vorsprung der solarthermischen Optionen

zeichnet sich durch einen Abstand zur eingezeichneten Linie aus; nur wenn die Gesamt-

Effizienzwerte der Optionen ST deutlich darüber liegen, wird nennenswert Elektroenergie ein-

gespart. In den Rechnungen zum Stand der Technik liegt der Vorsprung zwischen ca. 20 % und

40 % im Vergleich zum Stromeinsatz für die konventionelle Kälteversorgung in der Referenz.

Tabelle 5.3.3 fasst die Mittelwerte der Arbeitszahlen über alle Standorte zusammen.

In der Abschätzung zu optimierter Komponententechnik wurde von Hocheffizienzpumpen in

den hydraulischen Kreisen ausgegangen (im Kollektorkreis bereits vorher optimiert). Außer-

dem wurde die thermische Leistungszahl der TKM um durchschnittlich 5 % erhöht. Diese Er-

höhung ist gering, da kurzfristig keine „Quantensprünge“ in der Effizienzerhöhung der thermi-

schen Leistungszahlen zu erwarten sind. Eine Erhöhung der thermischen Effizienz der TKM


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 94

wirkt sich insbesondere in geringerem Rückkühlbedarf und daher auch auf den Stromeinsatz

aus.

Abbildung 5.3.14 (rechtes Bild) zeigt die deutliche Auswirkung auf sEERel,total. Am Standort Pa-

lermo ist die Gesamteffizienz auf einen Wert von 5.3 angestiegen. Der sEERTKM,el beträgt ca. 11;

mit geeigneter Anlagenplanung können Effizienzwerte in dieser Höhe durchaus erreicht wer-

den. Anstrengungen zur Erhöhung der Gesamteffizienz in solarthermisch gestützten Anlagen

sind erforderlich, da mittelfristig auch die Effizienz der Komponenten in konventioneller Anla-

gentechnik durch die Anforderungen der Ökodesign-Richtlinien steigen wird.

Veränderungen in der Regelung des Rückkühlkreises zeigen ebenfalls einen großen Einfluss auf

den Stromverbrauch; dies konnte aber im Detail innerhalb von EVASOLK nicht berücksichtigt

werden.

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

3.0 3.5 4.0 4.5

ST:

sEE

R to

tal,e

l

Ref: sEERKKM (EERKKM,nom = 3.0)

Anwendung C+Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

3.0 3.5 4.0 4.5

ST:

sEER

tota

l,el

Ref: sEERKKM (EERKKM,nom = 3.0)

Anwendung C+Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Stand der Technik Optimiert

+ 40% + 20%


Abbildung 5.3.15 Elektrische Jahresarbeitszahl der Kältebereitstellung aus solarthermisch unterstützter Option, aufgetragen über der Arbeitszahl in der Referenz am jeweiligen Standort. sEERel,total ist dabei für je-den Standort der Mittelwert aus den Variationen über Kollektorfläche, Kollektortyp und TKM-Typ. Links: Ergebnisse aus den Standardkonfigurationen mit Stand der Technik; rechts: mit Verwendung von Hocheffi-zienz-Pumpen und leicht erhöhter thermischer Effizienz der TKM. Am Beispiel der Anwendung C+.


KKM: Kaltwassersatz


TKM: AbKM, AdKM

TKM+KKM

EE

RK

KM

,no

m

sEE

RK

KM

*

EE

RK

KM

,no

m

sEE

RK

KM

sEE

RT

KM

sEE

RT

KM

,el

sEE

Rel

,to

tal*

Anwendung C+ Stand der Technik 3.0 3.6 3.0 3.9 0.58 8.4 4.7

Anwendung C+ optimiert 3.0 3.6 3.0 3.9 0.62 11.1 5.3

Tabelle 5.3.3 Kälteversorgung in der Anwendung C+: EER-Nennwerte und saisonale thermische und elektrische Arbeitszahlen. Mittelwerte über alle Standorte und alle Variationen (Kollektorgröße und –typ, TKM-Typ).



FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 95

An zwei Beispielen wird der Einfluss durch die Effizienzerhöhung auf die Kostenseite betrach-

tet (Abbildung 5.3.16). In der Anwendung B+ ist die Auswirkung im Vergleich zum Stand der

Technik deutlich ausgeprägt, da die solarthermische Anwendung hier an Standorten mit gerin-

gem Heizbedarf hauptsächlich Elektroenergie substituiert (z.B. Palermo, Athen). Die Effizienz-

steigerungen reichen allerdings nicht aus, um die spezifischen Kosten der Primärenergieein-

sparung in Konkurrenznähe zur Option Ref+PV zu bringen.

In der Anwendung C+ wird durch die Option ST auch ein hoher Anteil fossiler Brennstoffe zur

Brauchwarmwasserbereitung substituiert (TKM-Auslegung: 33 %). Der zusätzliche Elektro-

energie-Einspareffekt zeigt daher eine geringere Auswirkung.

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung C+; PTKM 33% Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung B+

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung B+

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV


-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]



Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV


Fraunhofer ISE


Fraunhofer ISE

Abbildung 5.3.16 Auswirkung der Annahmen zur Effizienzsteigerung auf die Kosten der Primärenergie-einsparung und auf die relative Primärenergieeinsparung. Anwendungen B+ (oben) und C+ (unten). Links ist jeweils als Vergleich der Stand der Technik dargestellt (vergl. Abbildungen 5.3.6 und 5.3.7).

5.3.4 Alternative Kostenbeurteilung

In den vorangegangenen Abschnitten wurde die Kosten der Primärenergieeinsparung (bzw.

CO2-Vermeidungskosten) immer über den erreichten Einsparungen aufgetragen, so dass auch

der umweltrelevante Effekt der Maßnahme sichtbar war. Nur die Angabe der Vermeidungskos-

ten kann zu verzerrenden Einordnungen führen (s. Abschnitt 5.2.6). Vorgeschlagen wurde als

alternativer Beurteilungsparameter der Kosten-Wirkungs-Index F12 (primärenergiebezogen)

bzw. F13 (CO2-bezogen). Wie die nachfolgenden Gegenüberstellungen von F12 und KPELCC zeigen


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 96

(Abbildung 5.3.17), ändern sich die qualitativen Aussagen, die aus den bisher gezeigten Ergeb-

nissen gewonnen wurden, nicht:

vorteilhaft sind Anwendungen in der Option ST, in denen zusätzlich erhöhter Brauchwarm-

wasserbedarf vorliegt (Anwendungen C, C+);

in aussichtsreichen Anwendungen verbessert eine sorgfältige Auslegung der Nennleistung

der thermisch angetriebenen Kälteversorgung (keine Auslegung auf Spitzenlast) die Wirt-

schaftlichkeit der Anlage beträchtlich;

in der ST-Option in Anwendungen ohne Brauchwarmwasserbedarf, in denen hauptsächlich

elektrischer Strom substituiert wird, ist der Abstand zwischen den Optionen ST und Ref+PV

groß (trotz hoher Korrelation zwischen täglichem Kühllastprofil und Einstrahlungsprofil).

Dies betrifft hauptsächlich die Anwendungen B, B+.

Allerdings verändert die Anwendung des additiven Bewertungsparameters F12 die Aussagen

quantitativ:

bereits in der Anwendung A (ohne Kälte-Backup) und C liegen in der Option ST einige

Standorte bereits ohne Kostensenkungsprognose in positiven Bereich von F12 bzw. in der

Nähe des Nullpunktes;

in der Anwendung C+ sind einige Standorte in der Option ST bereits vergleichbar mit der Op-

tion Ref+PV auch ohne Kostensenkungsprognose.

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]

F12


Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]

F12

Anwendung B+ ; PTKM 33% Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]

F12

Anwendung A; ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7)

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]

F12


Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

Fraunhofer ISE

Fraunhofer ISE

Fraunhofer ISE

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.3.17 Vergleich der energetisch-wirtschaftlich-kombinierten Bewertungsgrößen KPELCC und

F12 (s. Abschnitt 5.2.6). Konfigurationen mit Gaskessel als Wärme-Backup. Die Anwendungen B+ und C+ zei-gen die Ergebnisse für die TKM-Auslegung auf 33 % der maximalen Kühllast.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 97

Auch wenn statt des primärenergetisch bezogenen Parameters F12 der CO2-emissionsbezogene

Parameter F13 verwendet wird, ergibt sich ein vergleichbares Bild. Dazu zeigt Abbildung 5.3.18

die Werte aus der Anwendung C+, wieder mit TKM-Auslegung 33 %. An mehreren Standorten

ist die Option ST vergleichbar zur Option Ref+PV.

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

F 13

F12


Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.3.18 Gegenüberstellung der energetisch-wirtschaftlich-kombinierten Bewertungsgrößen F12

und F13 (s. Abschnitt 5.2.6). Konfigurationen mit Gaskessel als Wärme-Backup. Ergebnisse der Anwendung C+ für die TKM-Auslegung auf 33 % der maximalen Kühllast.

5.3.5 Veränderungen im Netzaustausch

In der Option Referenz wird der zeitliche Ablauf des Strombezugs aus dem lokalen Stromnetz

durch die Klimatisierungseinrichtungen und durch den sonstigen Strombedarf (Licht, Compu-

ter, sonstige Geräte) in der jeweiligen Anwendung und am jeweiligen Standort geprägt11. In den

solarthermisch unterstützten Optionen verändert sich das Zeitmuster des Strombezugs und die

Aufnahmeleistungen durch die veränderte klimatechnische Versorgungsstruktur; in den Optio-

nen Referenz+PV treten im Vergleich zur Referenz Veränderungen durch Netzeinspeisung (PV-

Generatorleistung > Eigenbedarf) bzw. durch zeitweise geringe Netzbelastung (Eigennutzung

des PV-Stroms) auf.

Abbildung 5.3.19 zeigt am Beispiel der Anwendung C+ und für den Standort Athen die kumu-

lierten Lastkurven der Kühllast im Gebäude und der PV-Einspeisung für unterschiedliche Aus-

legungsgrößen der PV-Generatornennleistung: 100 %, 50 % (Standard-Auslegung in den vo-

rangegangenen Rechnungen) und 33 % der elektrischen Nennleistungsaufnahme der KKM in

Ref+PV. Kühlbedarf besteht hauptsächlich zwischen April und September. Die Einspeisekurve

11 In der Vergleichsstudie ergibt sich der Stromeinsatz für die wärme-/kältetechnische Gebäudeversorgung

aus den jeweiligen Systemsimulationen; der Stromeinsatz für sonstige Gebäudenutzung stammt aus den Gebäudesimulationen, in denen die Nutzungsstruktur festgelegt wurde. Zeitauflösung der Strombedarfszeit-reihen in EVASOLK: 60 Minuten


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 98

für die PV-Auslegung 100 % zeigt, dass in den Kühllastmonaten knapp 40 % der jährlich einge-

speisten Elektroenergie liegen. Mit zusätzlichen Kurzzeitspeichern (thermisch, elektrisch) ließe

sich daher maximal dieser Betrag zur Eigennutzung anstelle Netzeinspeisung verschieben. Bei

der PV-Generatorauslegung 50 % wird durch insgesamt höhere Eigennutzungsanteile im Som-

mer das Potenzial für Verschiebungen durch Kurzzeitspeicher auf < 30 % der Jahresnetzein-

speisung herabgesetzt. Eine noch kleinere Auslegung des PV-Generators führt im Sommer in

mehreren Monaten zu praktisch keiner Netzeinspeisung; der PV-Strom wird wirtschaftlich

günstig zur Verringerung des Strombezugs eingesetzt.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

kum

ulie

rt, M

on

atsw

erte

Monat

Anwendung C+, Athen

E_Kühlen

E_Einspeisung; 100%

E_Einspeisung; 50%

E_Einspeisung; 33%

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.3.19 Anwendung C+, Standort Athen: kumulierte Lastkurven des thermischen Energiebedarfs für die Gebäudekühlung (E_Kühlen) und die kumulierten Lastkurven der Elektroenergieeinspeisung für drei verschiedene Auslegungen der PV-Nennleistung.

Im Folgenden werden für einige Anwendungsbeispiele die Veränderungen im Austausch mit

dem Netzstrom in den Optionen ST, Referenz und Ref+PV qualitativ dargestellt. Dazu fand die

Bewertungsgröße fNetz Verwendung. Wie in Abschnitt 5.2.6 definiert, stellt fNetz die Stan-

dardabweichung der Jahreszeitreihe des Stromflusses in bzw. aus dem Gebäude dar, normiert auf Jahresmittelwert der Netzbelastung. fNetz spiegelt damit qualitativ die Unruhe im Stromaus-

tausch mit dem Stromnetz wider; zunehmende Werte im Vergleich zur Referenz bedeuten einen

erhöhten Netz-“Stress“. Konkrete Rückschlüsse auf die elektrotechnische Belastung des Strom-

netzes können daraus nicht abgeleitet werden.

Zur besseren Einordnung wird fNetz über dem Jahresmaximum der Anschlussleistung aufgetra-

gen: max|PNetz| = max[PNetzbezug , PEinspeisung]. Die Werte werden außerdem für den unmittelba-

ren Vergleich normiert auf den jeweiligen Wert der Referenz.

Abbildung 5.3.20 enthält die Netzaustauschparameter für die Anwendung A, Standorte Frei-

burg und Athen. Die Option Ref+PV ist für drei Auslegungsgrößen des PV-Generators darge-

stellt: 33 %, 50 % und 100 % (PV-Nennleistung bezogen auf elektrische Nennleistungsaufnah-

me der Kältemaschine). Mit zunehmender Größe des PV-Generators steigt der Netzstress; eine

Verringerung der maximalen Leistung im Anschluss tritt nicht auf. In der Option ST liegt fNetz

gleich oder unterhalb des Wertes der Referenz; insbesondere in den solarthermischen Optionen

ohne Kälte-Backup kann eine deutliche Verringerung der Anschlussleistung erkannt werden.

Insgesamt sind die solarthermischen Optionen in dieser Anwendung vorteilhaft.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 99

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

f Net

z/

f Net

z,R

efer

enz

max|PNetz| / max|PNetz,Referenz|

Anwendung A, Freiburg

Referenz

Ref+PV; n=1

Ref+PV; n=0.5

Ref+PV; n=0.33

ST

ST; ohne Backup

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

f Net

z/

f Net

z,R

efer

enz


Anwendung A, Athen

Referenz

Ref+PV; n=1

Ref+PV; n=0.5

Ref+PV; n=0.33

ST

ST; ohne Backup


Abbildung 5.3.20 Anwendung A, Standorte Freiburg und Athen: Netzaustauschparameter fNetz und

max|PNetz|, jeweils normiert auf den Wert der Referenz.

Weniger eindeutig stellt sich in Abbildung 5.3.21 der Vergleich in den Anwendungen B, B+ dar.

Durch die relativ gute Übereinstimmung zwischen Kühllastprofil und PV-Stromerzeugung tritt

bei moderaten PV-Generatornennleistungen (hier etwa bis Auslegungsgrößen 50 %) kaum eine

Erhöhung im Netzstress auf; darüber hinaus wird die Anschlussleistung günstig beeinflusst. Ein

eindeutiger Vorteil in der Option ST kann nur bei den Anwendungen ohne Kälte-Backup gese-

hen werden (nur in Anwendung B untersucht).

Die Anwendungen C, C+ hingegen (Abbildung 5.3.22) sind in den Auswirkungen der Optionen

auf den Netzaustausch etwa vergleichbar mit den Anwendungen A. Der Kühlbedarf verteilt sich

auf einen größeren täglichen Zeitraum: PV-Strom wird tagsüber in geringerem Maße durch Ei-

gennutzung aufgenommen und die im Vergleich zur Anwendung C höhere Einspeisung lässt fNetz

über den Referenzwert ansteigen. Die solarthermische Option kann standortabhängig zur Ver-

ringerung des Anschlusswertes führen; in der qualitativen Darstellung Netzstress ist sie ver-

gleichbar zur Referenz.

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

f Net

z/

f Net

z,R

efer

enz


Anwendung B+, Madrid

Referenz

Ref+PV; n=1

Ref+PV; n=0.5

Ref+PV; n=0.33

ST

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

f Net

z/

f Net

z,R

efer

enz


Anwendung B, Madrid

Referenz

Ref+PV; n=1

Ref+PV; n=0.5

Ref+PV; n=0.33

ST

ST; ohne Backup


Abbildung 5.3.21 Anwendungen B, B+, Standort Madrid: Netzaustauschparameter fNetz und max|PNetz|, jeweils normiert auf den Wert der Referenz.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 100

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

f Net

z/

f Net

z,R

efer

enz


Anwendung C+, Athen

Referenz

Ref+PV; n=1

Ref+PV; n=0.5

Ref+PV; n=0.33

ST

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

f Net

z/

f Net

z,R

efer

enz


Anwendung C, Madrid

Referenz

Ref+PV; n=1

Ref+PV; n=0.5

Ref+PV; n=0.33

ST


Abbildung 5.3.22 Anwendungen C, C+, Standorte Madrid und Athen: Netzaustauschparameter fNetz und

max|PNetz|, jeweils normiert auf den Wert der Referenz.

Die qualitativen Betrachtungen deuten darauf hin, dass die Optionen Ref+PV generell zu einer

leichten bis ausgeprägten Erhöhung im Netzstress führen, dass aber die Vorteile solarthermi-

scher Optionen in dieser Hinsicht dann eingeschränkt werden, wenn sich der Kühlbetrieb stark

auf die Tagesstunden konzentriert und eine hohe Eigennutzung des PV-Stroms erfolgen kann

(Anwendungen B, B+). Der Abstand der solarthermischen Optionen zur Referenz wird allerdings

sehr günstig beeinflusst, wenn auf den kompressionskältetechnischen Backup dort verzichtet

werden kann.

5.3.6 Sensitivität

In diesem Abschnitt wird auf die Sensitivität der Kosten der Primärenergieeinsparung in den

solarthermischen Optionen ST eingegangen.

Die Kostensituation in den solarthermischen Optionen wird durch zahlreiche Vorgaben und

Randbedingungen bestimmt. Außerdem kann auch die Kostenzusammensetzung innerhalb ei-

ner Option stark anwendungs- und ortsabhängig sein. Daher ist die Auswirkung auf beispiels-

weise die Kosten der Primärenergieeinsparung (KPELCC) sehr anwendungs- und standortab-

hängig, wenn ein Basisparameter verändert wird:

an einem Standort mit vergleichsweise wenigen Volllastbetriebsstunden der Kühleinrich-

tung wird eine Veränderung des Strompreises wenig Auswirkung zeigen;

in Anwendungen mit erhöhtem Brauchwarmwasserbedarf sind die Auswirkungen bei Ver-

änderungen des Gaspreises relevanter als bei Strompreisveränderungen;

In kostengünstigen Anwendungen (im Vergleich zur Referenz) ist die Sensitivität der spezifi-

schen Kosten bei Veränderungen der Basisparameter höher als in Anwendungen, die weiter

von Kostenneutralität entfernt sind.

Abbildung 5.3.23 zeigt die prozentuale Auswirkung auf KPELCC , wenn jeweils einer der angege-

benen Basisparameter (Energiepreise, Teilsystemkosten usw.) im Bereich zwischen -25 % bis

+25 % relativ zu den Ausgangsgrößen variiert wird. Zur Darstellung wurde die Anwendung C+

mit den Standorten Freiburg und Athen gewählt; diese Standorte spannen den Bereich der Kos-

ten der Primärenergieeinsparung auf (Standardkonfigurationen mit Auslegung der TKM auf

75 % der max. Kühllast). Erkennbar ist die ausgeprägt höhere Sensitivität auf KPELCC am Stand-

ort mit niedrigen Kosten der Primärenergieeinsparung. In den Energiekosten ist hier der Gas-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 101

preis von hoher Bedeutung, bei den Teilsystemkosten haben die Kosten des Kollektorsystems

den größten Einfluss.

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]


Anwendung C+

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-30 -20 -10 0 10 20 30

Ver

änd

eru

ng

in K

PE L

CC

in %

Veränderung der Basisparameter in %

Anwendung C+; Athen (TKM: 75%, FK4/AbKM)

Kollektorsystem

TKM-System

Kapitalzins

Installations-kosten (20a)

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-30 -20 -10 0 10 20 30

Ver

änd

eru

ng

in K

PE L

CC

in %


Anwendung C+; Athen (TKM: 75%, FK4/AbKM)

Strompreis

Gaspreis

TeuerungsrateStrom, Gas

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-30 -20 -10 0 10 20 30

Ver

änd

eru

ng

in K

PE

LCC

in %


Anwendung C+; Freiburg (TKM: 75%, FK6/AbKM)

Strompreis

Gaspreis


-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-30 -20 -10 0 10 20 30

Ver

änd

eru

ng

in K

PE

LCC

in %


Anwendung C+; Freiburg (TKM: 75%, FK6/AbKM)

Kollektorsystem

TKM-System

Kapitalzins




Abbildung 5.3.23 Anwendungen C+, Standorte Freiburg und Athen: Prozentuale Veränderung der spezifi-schen Kosten der Primärenergieeinsparung bei Veränderung der angegebenen Basisparameter. Bei der Teu-erungsrate wurden die Preise für Gas und Strom gleichzeitig variiert; ansonsten wird immer nur einer der Kostenparameter verändert (immer relativ zum Basiswert). Die beiden gewählten Standorte weisen in die-ser Anwendung den größten Unterschied in KPELCC auf (s. oben).

Als Beispiel für die Sensitivität in der Anwendung B zeigt Abbildung 5.3.24 die Anwendung oh-

ne Kälte-Backup am Standort Madrid. Der Einfluss von Kostenveränderungen im Teilsystem

Kollektor ist vergleichbar mit Veränderungen im thermisch betriebenen Kältesystem. Die Aus-

wirkung bei Veränderung des Strompreises ist hier größer als eine Veränderung des Gasprei-

ses; insgesamt ist die Auswirkung bei einer Variation der Energiepreise aber innerhalb der be-

trachteten Variationsbandbreite gering.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 102

In den Kostenberechnungen wurde standardmäßig innerhalb des 20-jährigen Betrachtungs-

zeitraums von einer Lebensdauer der elektrisch betriebenen Kompressionskältetechnik von

15 Jahren ausgegangen. Zur Lebensdauer dieser Komponenten gibt es jedoch unterschiedliche

Angaben. In [Krawinkler, 2008] wird dazu auf die österreichische ÖNORM H7140 verwiesen

(Lebensdauer Kompressionskältemaschine, Kaltwasser: 15 a; Lebensdauer Raumklimageräte

Split und Multi-Split: 10 a). In [Jakob, 2012] wird allgemein auf eine mittlere Lebensdauer von

Kompressionskältemaschinen von 8 Jahren hingewiesen. Standortspezifisch sind durch hohe

Betriebszeiten und evtl. Staubbelastungen nur deutlich geringere Lebensdauern erreichbar: in

Australien sind Austauschzeiten der Außeneinheiten von Split-/Multi-Splitgeräten von < 5 Jah-

re gängig, da bereits nach drei Jahren die Wartungskosten unverhältnismäßig ansteigen12.

Die Veränderung der Lebensdauer eines Multi-Split-Gerätes in der Referenz (Anwendungen B,

C: Splitgeräte-Technik; B+, C+: Kaltwasser-KKM) wirken sich unmittelbar auf die Kostensituati-

on der solarthermischen Optionen aus, da KPELCC im Vergleich zu den Kosten der Referenz ge-

bildet wird. Dies wird in Abbildung 5.3.25 am Beispiel der Anwendung C gezeigt.

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-30 -20 -10 0 10 20 30

Ver

änd

eru

ng

in K

PE L

CC

in %


Anwendung B; Madrid (TKM: 75%, FK4/AbKM)

ohne Kälte-Backup

Strompreis

Gaspreis


-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-30 -20 -10 0 10 20 30

Ver

änd

eru

ng

in K

PE L

CC

in %


Anwendung B; Madrid (TKM: 75%, FK4/AbKM)

ohne Kälte-Backup

Kollektorsystem

TKM-System

Kapitalzins



Abbildung 5.3.24 Anwendung B, ohne Kälte-Backup und am Standort Madrid: Prozentuale Veränderung der spezifischen Kosten der Primärenergieeinsparung bei Veränderung der angegebenen Basisparameter. Bei der Teuerungsrate wurden die Preise für Gas und Strom gleichzeitig variiert; ansonsten wird immer nur einer der Kostenparameter verändert (immer relativ zum Basiswert).

12 Persönliche Kommunikation mit klimatechnischem Ing.-Büro in Australien


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 103

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 5 10 15 20

Ver

änd

eru

ng

in K

PE L

CC

in %

Lebensdauer [a]

Anwendung C; Athen (TKM: 75%, FK4/AbKM)

KKM-Split (Ref)

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.3.25 Verringerung der Kosten der Primärenergieeinsparung in der solarthermischen Option, wenn die Lebensdauer des Mult-Splitgerätes in der Referenz abgesenkt wird (15-12-10-8-5 Jahre) und dadurch zunehmende Kosten durch Ersatzinvestitionen auftreten. Anwendung C, Standort Athen.

Abbildung 5.3.26 zeigt an einem Beispiel, wie sich eine ausgeprägte Veränderung eines der Ba-

sisparameter auf die Bewertung auswirkt. Dazu wird der jährliche Preisanstieg beider Energie-

formen, Strom und Gas, verdoppelt und das Ergebnis an der Anwendung C+ an heißen, sonnigen

Standorten aufgezeigt (zweistufige-TKM-Technik in der Option ST). Die solarthermische Option

wird dadurch günstiger; der Abstand von F12 an einem der Standorte vergrößert sich zu den

entsprechenden Werten der Option Ref+PV.

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]

F12




Bechar, Ref+PV

Antalya, Ref+PV

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]

F12




Bechar, Ref+PV

Antalya, Ref+PV

Jährlicher Preisanstieg Strom: 10 %Jährlicher Preisanstieg Gas: 6 %

Jährlicher Preisanstieg Strom: 5 %Jährlicher Preisanstieg Gas: 3 %


Abbildung 5.3.26 Auswirkung einer Verdopplung des Preisanstiegs für Strom und Gas in der Anwendung C+ an sehr warmen und sonnigen Standorten. Links: normaler Preissteigerungs-Ansatz in den Vergleichs-rechnungen, rechts: doppelte Preissteigerungsrate. TKM-Auslegung in der solarthermischen Option: 50 % der maximalen Kühllast im Gebäude.

Abschließend wird an einem Beispiel eine Kombination mehrerer Parameterveränderungen

vorgenommen, die sich zu Gunsten der solarthermischen Option auswirken. Im Beispiel wird

variiert:

- Verdopplung der jährlichen Steigerungsraten in den Energiekosten (Strom: von 5 % auf

10 % pro Jahr; Gas: von 3 % auf 6 % pro Jahr);

- Kostenszenario S2 (Kollektorsystem: -10%; TKM-System: -25% Investkosten);


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 104

- Lebensdauerabsenkung im Multi-Split-System in Ref und Ref+PV von 15 auf 10 Jahre.

Abbildung 5.3.27 zeigt die Auswirkung auf die Anwendungen A und B (ohne Kälte-Backup) und

auf Anwendung C. In diesen Anwendungen wird auf der Referenzseite Multi-Split-Kühltechnik

in den Vergleichsrechnungen eingesetzt. Es zeigt sich, dass bezüglich des Bewertungsparame-

ters F12 die Optionen ST in der Anwendung C bereits alle im Bereich > 0 und vergleichbar zu

Ref+PV liegen. In der Anwendung A ist dies bei den südeuropäischen Standorten der Fall; hier

ist Vergleichbarkeit zur Option Ref+PV gegeben. In der Anwendung B ist die letztere Option

nach wie vor günstiger.

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]

F12


Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

Jährlicher Preisanstieg Strom: 10 %Jährlicher Preisanstieg Gas: 6 %Kostenszenario S2 Lebensdauer Multi-Split (Ref): 10 a

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]

F12

Anwendung B; ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7)

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV


-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

min

. KP

ELC

C[

Euro

/ k

Wh

PE

]

F12

Anwendung A; ohne Kälte-Backup (SDC > 0.7)

Freiburg

Palermo

Toulouse

Madrid

Athen

Freiburg, Ref+PV

Palermo, Ref+PV

Toulouse, Ref+PV

Madrid, Ref+PV

Athen, Ref+PV

Fraunhofer ISE

Abbildung 5.3.27 Auswirkung der im Kästchen angegebenen Veränderungen der Basisparameter. In der Anwendung C sind die solarthermischen Optionen damit bei gleichgewichteter Bewertung von Kosten und Primärenergieeinsparung (F12) etwa im gleichen Bereich wie die Systeme Ref+PV, in der Anwendung A trifft dies für südeuropäische Standorte zu. In der Anwendung B führt dies noch nicht zu vergleichbaren Werten. Es wurden die kleinen Systemvarianten gewählt, da hier in der Vergleichstechnik in Ref und Ref+PV Multi-Split-Kältetechnik angesetzt wird.

5.4 Zusammenfassung Vergleichsstudie Solare Kühlung in Gebäuden

Der Vergleich der verschiedenen Optionen und Anwendungen zur solar unterstützten Gebäu-

dekühlung zeigt, dass in der Beurteilung der Techniken differenziert vorgegangen werden

muss. Der Wirtschaftlichkeitsvergleich erfolgte auf Basis der spezifischen Kosten der Primär-

energieeinsparung bzw. der CO2-Vermeidung für einen 20-jährigen Betrachtungszeitraum. In

grober Näherung sind die Aussagen sowohl bezüglich der Primärenergieeinsparung als auch

der CO2-Vermeidung vergleichbar; Kältemittelverluste in elektrisch betriebener kompressions-

gestützter Kühlung über den Lebenszyklus wurden berücksichtigt.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 105

In der Vergleichsstudie liegen die Nennkälteleistungen der untersuchten Kühleinrichtungen im

Bereich zwischen 10 kW und ca. 130 kW, auf diesen Bereich beziehen sich daher auch die ge-

troffenen Aussagen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit. In Anlagen mit höherer Kälteleistung

sind daher Kostenabsenkungen durch positive Skaleneffekte zu erwarten.

Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Solare Kühlung kann zu hohen Primärenergieeinsparungen und CO2-Vermeidungen im

Vergleich zur Referenz beitragen. Die Einsparpotenziale sind dabei anwendungs- und

standortabhängig und auch je nach Option (solarthermisch oder Referenzsystem+PV) un-

terschiedlich. Beispiel für die Einsparungen in einer solarthermisch unterstützten Kon-

figuration mit zusätzlich hohem Warmwasserbedarf an einem südeuropäischem Stand-

ort (Kühllastspitze: ca. 125 kW, installierte thermische Kältetechnik: 41 kW):

ca. 150 MWh Primärenergie pro Jahr und ca. 33 t CO2 pro Jahr. In Gesamtlösungen mit

Brauchwarmwasserversorgung sind die solarthermischen Optionen in dieser Hinsicht

den Optionen Referenzsystem+PV teils deutlich überlegen im Rahmen der untersuchten

Anlagenkonfigurationen.

Generell liegen günstige Standorte für solarthermische Kühlung in Klimazonen mit ho-

her Betriebsstundenzahl, z.B. >> 500 Volllaststunden/Jahr. Die Technologieentwicklung

Solare Kühlung als Exportprodukt ist damit aussichtsreicher als die Entwicklung mit

Schwerpunkt auf den deutschen Markt.

Die Einsparung von ausschließlich Elektroenergie durch solarthermische Kühlung ist

auch mit Kostensenkungsprognosen schwierig wirtschaftlich darstellbar. Dies betrifft

hauptsächlich die Anwendungsarten ohne Brauchwarmwasserbedarf. Die in dieser An-

wendung gute Übereinstimmung zwischen Kühllastprofil und Einstrahlungsprofil ist

dann kein hinreichendes Kriterium mehr für einen wirtschaftlich aussichtsreichen Be-

trieb für solarthermisch angetriebene Kühlung. Die Option Referenz+PV mit hoher Pri-

märenergiekompensation auf jährlicher Basis ist hier vorteilhaft.

Voraussetzung für eine wirtschaftlich interessante Darstellung der solarthermischen

Kühlung im Vergleich zur Referenz und zu Referenz+PV sind vielmehr:

Eine optimale ganzjährige Ausnutzung des Kollektorfeldes durch weitere Wärmeab-

nehmer (hoher Brauchwarmwasserbedarf; Speisewasservorwärmung), d.h. Aufbau

einer Verwertungskette solarer Wärme, innerhalb derer der Bezug fossiler Energie-

träger vermieden wird;

Sorgfältige Auslegung der thermisch angetriebenen Kältetechnik insbesondere bei

großen Anlagen: keine Auslegung auf Spitzenlast, wenn ein Kälte-Backup-System

vorhanden ist;

Verzicht auf ein Kälte-Backup-System, sofern dies mit den Anforderungen an die

Raumluftqualität und dem täglichen Kühllastprofil vereinbar ist (Zulassung gelegent-

licher Überschreitung der Raumluft-Sollzustände);

Moderate bis ausgeprägte Kostenreduktion des Kollektorsystems und in den Haupt-

komponenten thermisch angetriebener Kühlung. Der Umfang der Kostenreduktion,

um mit der Option Referenz+PV zu konkurrieren, ist dabei auch abhängig von den

verwendeten energetisch-wirtschaftlichen Bewertungsgrößen. Bei Anwendung eines

energetisch-wirtschaftlich gleichgewichteten Kosten-Wirkungs-Index ist in einigen


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 106

Anwendungen mit hohem zusätzlichen Wärmebedarf bereits Konkurrenzfähigkeit

ohne Kostensenkungsprognosen erreicht;

Generell sind große Systeme durch sinkende spezifische Komponentenkosten vor-

teilhafter als kleine Systeme im Kälteleistungsbereich z.B. < 30 kW;

Effizienzerhöhung in der solarthermischen Kühlung auf Komponentenebene und auf

steuerungs-/regelungstechnischer Ebene;

Anwendung effizienter 2-stufiger Absorptionskältetechnik an geeigneten Standorten;

Wenn möglich, sollte der Rückkühlkreis zur Vorwärmung von Brauchwarmwasser /

Speisewasser genutzt werden (dies ist derzeit kaum realisiert und wurde daher auch

in der Vergleichsstudie nicht explizit untersucht).

Eigenschaften der konventionellen Gebäudeversorgung mit additiver PV (Option Refe-

renz+PV):

In Anwendungen ohne zusätzlichen erheblichen Energiebedarf aus fossilen Quellen

in der thermischen Gebäudeversorgung (Brauchwarmwasser) bietet diese Option

wirtschaftliche und primärenergetische Vorteile, die von den hier untersuchten so-

larthermischen Konfigurationen schwer erreichbar sind;

Unter den oben genannten Voraussetzungen für einen aussichtsreichen Betrieb so-

larthermischer Kühlung sind die spezifischen Kosten der Primärenergieeinsparung

bzw. der CO2-Vermeidung etwa vergleichbar, allerdings bei teils deutlich niedrigeren

Primärenergie-Einsparungen (CO2-Vermeidungen) im Vergleich zur solarthermi-

schen Option;

In der eher qualitativen Betrachtung der Wechselwirkung mit dem Stromnetz zeigt

sich, dass die Varianten mit PV-Generator und Einspeisung der Stromüberschüsse

ins Stromnetz zu teils deutlicher Zunahme des „Stresses“ auf der Netzseite führen.

Inwieweit dies jedoch für die betreffenden Netzknoten kritisch ist, kann hier nicht

beurteilt werden. Es lässt sich jedoch vermuten, dass die Anwendung in schwachen

Netzen nicht zu einer Stabilisierung führt. In den bereits für die Option Referenz+PV

als sehr vorteilhaft identifizierten Anwendungen (kein sommerlicher Wärmebedarf)

zeigt die Abschätzung auch hier eine geringere Auswirkung auf das Netz bzw. es

können tendenziell durch geringere maximale Strombezugsleistungen Netzentlas-

tungen erwartet werden;

Sensitivitätsrechnungen zeigen einen großen Einfluss der Lebensdauer konventio-

neller Kühltechnik auf Splitgeräte-Basis im wirtschaftlichen Vergleich mit solarther-

misch gestützten Anlagen. In der Vergleichsstudie wurde als Standardansatz von ei-

ner Lebensdauer der Splitgeräte von 15 Jahren ausgegangen. Berichten zufolge wird

in sehr sonnenexponierten und umweltbelasteten Regionen diese Lebensdauer bei

Weitem nicht erreicht. Eine Halbierung der Lebensdauer des Multi-Split-Gerätes in

der Referenz erhöht die Wirtschaftlichkeit der solarthermischen Konfiguration im

Vergleich zu dieser signifikant (im Sensitivitäts-Beispiel: Kosten der Primärenergie-

einsparung in der solarthermischen Variante sinken mehr als 20 %).

Die analysierten Optionen zum Einsatz von Solarenergie in der Gebäudeversorgung befinden

sich hinsichtlich der technologischen Entwicklung und damit auch hinsichtlich der Investitions-

kosten noch nicht auf Augenhöhe: sowohl die konventionelle Kühltechnik als auch die netzge-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 107

koppelte Photovoltaik haben bereits eine ausgeprägte Kostendegression infolge der Massenfer-

tigung erfahren, davon ist die thermisch betriebene Kältetechnik noch deutlich entfernt, so dass

hier noch signifikante Kostensenkungen zu erwarten sind. Auch in der Solarthermie werden

mittelfristig noch erhebliche Potenziale für eine Kostensenkung der Schlüsselkomponenten ge-

sehen13.

Positiv auf die Komponentenkosten der thermisch betriebenen Kühlung können sich auch

Schnittmengen zur Entwicklung des Sorptionswärmepumpenmarktes auswirken; Fortschritte

in diesem Bereich können zu einer Kostenreduktion im Kühlsektor führen. Langfristig sind

eventuell auch reversible Systeme – Sorptionstechniken zur gemeinsamen Kälte- und Wärme-

versorgung – durchsetzungsfähig, die zu einer Systemvereinfachung führen. Im Technologiebe-

reich der Adsorptionskältetechnik werden außerdem Ansätze verfolgt, die auf Vereinfachungen

im Geräteaufbau zielen und eine deutliche Auswirkung auf den Komponentenpreis erwarten

lassen.

Anwendungen mit solarthermischer Kühlung können zudem, auch wenn die Wirtschaftlichkeit

noch nicht vergleichbar ist mit elektrisch betriebenen Optionen der Gebäudekühlung, dann vor-

teilhaft sein, wenn in Regionen mit instabilen Netzen ein weiterer Ausbau der konventionellen

Kälteversorgung problematisch ist. Darüber hinaus ist Netzeinspeisung mit PV-Generatoren

nicht in allen Regionen einfach zu realisieren. Hier kann die solare Kühlung zu einem wirt-

schaftlich nicht exakt darstellbarem Komfortanstieg führen.

Die untersuchten Konfigurationen solarthermischer Kühlung bilden den Stand gegenwärtiger

Technik ab. Auf der Systemseite konventioneller Technik mit PV-Generator wurde ebenfalls

keine spezielle Konfiguration mit Möglichkeiten der Lastverschiebungen analysiert (z.B. Konfi-

guration mit elektrischer Stromspeicherung, latenter und sensibler Wärmespeicherung, die sich

allerdings auch dort investitionskostenerhöhend auswirken würde).

In realen Installationen können sich auch Optionen, die sich hier als nicht wirtschaftlich günstig

herausgestellt haben, durch spezielle lokale Rahmenbedingungen als vorteilhaft erweisen. Dies

kann im Einzelfall durch stark abweichende Komponenten- oder Installationskosten hervorge-

rufen werden.

13 Fahrplan Solarwärme – Strategie und Maßnahmen der Solarwärme-Branche für ein beschleunigtes Markt-

wachstum bis 2030. Bericht des Bundesverband Solarwirtschaft e.V. (BSW), Juni 2012


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 108

6 Solare Prozesskühlung

Autoren: Sebastian Wittig, Mathias Safarik (ILK)

6.1 Technische Analyse und Anwendungsbeispiele

Für die solare Prozesskühlung mit Nutzkältetemperaturen unter 6 °C lässt sich nur eine geringe

Anzahl von Anwendungsbeispielen in der Literatur finden. Wesentliche davon sind - ohne An-

spruch auf Vollständigkeit - in Tabelle 6.1.1 aufgeführt.

Anwendung Standort,

Installation

Kälte-leistung

[kW] Kälteanlage

t1 [°C] (Regen.)

t2 [°C] (Verfl.)

t3 [°C] (Verd.)

Rück-kühlung

Speicher Energie-

quelle Literatur-

quelle

Kühlcontainer (z.B. Eis-erzeugung)

verschiedene 5.1 KKM - 45 -5 Umgebung (trocken)

Eis und/oder Batterie

PV, 3.4 kWP

[Phaesun, 2011]

Milchkühler Marrakesch (Marokko)

12.8

NH3/H2O AbKM (Robur),

in Reihe zu KKM - im KWS Rücklauf

- - - Umgebung (trocken)

Eis, 2 m³ / 94 kWh

Parabol, 58.5 m²

[Motta, 2010]

Weinkühlung Grombalia (Tunesien)

12.8 NH3/H2O AbKM

(Robur), parallele KKM

180 ? 0 Umgebung (trocken)

Wasser-Glykol(35%),

3 m³

Fresnel-Kollektor,

88 m² [Motta, 2010]

Weinkühlung Schloßberg (AT), 2003

10 - 17 NH3/H2O AbKM

(F&E) ≥ 100/

85 25/35 ≥ -15

Umgebung (nass)

Sole, 0,5 m³ HW, 4 m³

Flach-kollektor, 100 m²,

Biomasse-verbr.

[Eicker, 2009], [Schubert,

2012]

Bürokälte mit Eisspeicher

Stuttgart (DE)

10 NH3/H2O AbKM

(Prototyp) ≈ 75..105 ≈ 20

≈ -10..0 (COP 0.5)

Umgebung (trocken)

Eis, 0.5 m³ / 35 kWh

Flach-kollektor,

32 m²

[Zetzsche, 2008]

Demonstra-tionsanlage

FH Gelsen- kirchen (DE),

2001 20

NH3/H2O AbKM (Prototyp)

100/ 90

? - 2

(COP 0.63)

Erdsonden Eis, 170 kWh VRK,

72 m² [Eicker, 2009], [Braun, 2002]

Demonstrati-onsanlage Kühlhaus

Umkirch, 2012

12 NH3/H2O AbKM

(Robur) 180 35 -5

Umgebung (trocken, integriert in AKM)

Eis, 0.56 m³ / 50 kWh

Fresnel-Kollektor,

88 m² [Döll, 2013]

Tabelle 6.1.1 Anwendungsbeispiele Solare Kühlung / Prozesskühlung für niedrige Nutztemperaturen

(ohne Anspruch auf Vollständigkeit)

Als Vertreter PV-betriebener Kühlsysteme können die ILK-Kühlcontainer genannt werden (Ab-

bildung 6.1.1). Diese sind dafür konzipiert, autark in abgelegenen Regionen oder in Gebieten

ohne stabiles Stromnetz bspw. zur Kühlung von Lebensmitteln, Medikamenten oder zur Eiser-

zeugung eingesetzt zu werden. Dabei kommt eine Kombination aus Kompressionskälteanlage

zur Kälteerzeugung, PV-Kollektoren zur Energieversorgung und einem Speichersystem zur di-

rekten (Batterie) oder indirekten (PCM) Speicherung der umgewandelten Sonnenenergie zum

Einsatz. Diese Systemkombination ist in der Praxis der Prozesskühlung eine Ausnahme. Regio-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 109

nen, in denen Prozesskälte benötigt wird, verfügen entweder über ein ausreichend stabiles

Stromnetz oder es wird eine Backup-Stromerzeugung genutzt, i.d.R. durch dieselbetriebene Ge-

neratoren. Ohne Speicher unterscheidet sich ein Kompressionskältesystem mit solarer Unter-

stützung technisch nicht mehr von einem klassischen, rein netzbetriebenen System. Das Käl-

teerzeugungssystem kann dann unabhängig von der PV-Anlage betrieben werden.

Abbildung 6.1.1 Kühlcontainer [Phaesun, 2011]

Für solarthermische Kälteverfahren gibt es im Bereich Prozesskühlung mehrere Anwendungs-

beispiele. Die in der Literatur beschriebenen Anlagen weisen eine relativ geringe Kälteleistung

auf (zwischen 10 und 20 kW) und basieren meist auf Absorptionskältemaschinen (AbKM) mit

dem Stoffpaar Ammoniak/Wasser, wobei Ammoniak das Kältemittel ist. Da in Prozesskühlan-

wendungen größtenteils Verdampfungstemperaturen unter 0 °C benötigt werden, kann das in

der Gebäudeklimatisierung verbreitete Stoffpaar H2O/LiBr nicht genutzt werden.

Das Temperaturniveau der Antriebswärme variiert bei den beschriebenen Systemen zwischen

75 °C und 180 °C. Höhere Temperaturen ergeben sich bei dem Einsatz von AbKM die ursprüng-

lich für eine Direktbefeuerung mit Gas ausgelegt und optimiert sind (AbKM des Herstellers Ro-

bur). Hier wird der Einsatz von konzentrierenden Solarkollektoren (Parabolrinne, Fresnel) nö-

tig, womit Heizwassertemperaturen von 180 °C erreichbar sind. Bei der Verwendung von

AbKM, die mit geringeren Temperaturen der Antriebswärme arbeiten, finden auch Flach– bzw.

Vakuumröhrenkollektoren Anwendung.

Die Rückkühlung wird mit drei verschiedenen Varianten realisiert. Bei drei der genannten Pro-

jekte kommt ein trockener Rückkühler zum Einsatz. In einem System (Weinkühlung, Öster-

reich) wurde ein Nasskühlturm integriert und die Demonstrationsanlage der FH Gelsenkirchen

verfügt über eine Wärmepumpe mit Erdsonden, die im Sommer als Wärmesenke genutzt wer-

den.

Alle aufgeführten Systeme sind mit Kältespeichern ausgestattet (teilweise Wasser-Glykol-

Speicher, teilweise Eisspeicher). Durch Kältespeicher kann der solare Deckungsgrad der Anlage

erhöht werden, da ein Überangebot an solarthermischer Energie auf diese Weise speicherbar

ist. Dies setzt allerdings voraus, dass das Kälteerzeugungssystem das hohe Angebot an An-

triebsleistung bewältigen kann. Daraus ergibt sich unter Umständen eine Überdimensionierung

der Kälteanlage bzw. ein hoher Anteil von Betriebszeit in Teillast. Dies kann durch den Einsatz

von Wärmespeichern vermieden werden. Nur in das System zur Weinkühlung in Österreich ist

ein Speicher auf der warmen Seite der AbKM integriert.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 110

Neben den Speichersystemen verfügen einige der aufgeführten Systeme über eine zusätzliche

Kompressionskälteanlage (KKM). Die Kombination der beiden Kälteerzeugungsmaschinen er-

folgt auf unterschiedliche Weise. Bei der Milchkühlung in Marokko wird die Absorptionskälte-

anlage in den Kaltwasserrücklauf zur KKM eingebunden. Bei verfügbarer solarer Einstrahlung

kann der Kälteträger vor dem Durchlaufen der KKM einer Vorkühlung unterzogen werden und

die Last der KKM reduziert sich. Bei dem Beispiel der Weinkühlung in Tunesien ist ein netzge-

koppeltes KKM-Backup-System parallel am Kälteträgerkreislauf eingebunden. Wohingegen bei

dem Pilotprojekt zur Weinkühlung in Österreich ein Mangel an Antriebswärme durch fehlende

Sonneneinstrahlung mit Hilfe einer Biomasseverbrennung kompensierbar ist. Zu den Versuchs-

anlagen vom ITW-Stuttgart sowie der Demonstrationsanlage in Gladbeck wird in den vorlie-

genden Quellen kein Backup-System beschrieben.

Abbildung 6.1.2 Solare Milchkühlung, Marokko, 12.5 kW [Ayadi, 2008], [Motta, 2010]


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 111

Abbildung 6.1.3 Weinkühlung in Tunesien 12.5 kW, Wasser-Glykol-Kältespeicher [Motta, 2010]

Abbildung 6.1.4 Solare Weinkühlung, Österreich, 10 kW [Pink, 2007], [Schubert, 2012]


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 112

Abbildung 6.1.5 Solare Büroklimatisierung mit NH3/H2O Absorber-Versuchsanlage ITW-Stuttgart [Zetz-

sche, 2008]

Aus der Literatur liegen keine Beschreibungen zu Projekten vor, in denen eine Kombination aus

PV – und solarthermischem Kollektorsysteme realisiert wurde. Ein solches System ist zum ei-

nen dann erforderlich, wenn eine Absorptionskältemaschine netzautark betrieben werden soll.

Die PV-Anlage übernimmt dann die Bereitstellung der elektrischen Hilfsenergie. Hierbei muss

neben Wärme-/Kältespeichern zusätzlich ein Speicher für elektrische Energie vorgesehen wer-

den. Nur so ist es möglich, auch in Zeiten ohne ausreichende Sonneneinstrahlung Hilfsenergie

für das Betreiben der Absorptionskälteanlage bzw. das Entladen eines Kältespeichers bereitzu-

stellen. Denkbar wäre allerdings auch die Integration eines PCM–Speichers direkt in der Kühl-

zelle, um auf elektrische Hilfsenergie zur Speicherentladung verzichten zu können. Werden PV–

und solarthermische Kollektorsysteme in sogenannten Hybridkollektoren kombiniert, ergeben

sich zusätzlich Vorteile. Die Solarzellen werden durch das Abführen thermischer Lasten gekühlt

und können mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten. Auf die gleiche Fläche bezogen erhöht

sich so der Gesamtertrag im Vergleich zu parallel installierten Systemen. Allerdings ist das er-

reichbare Temperaturniveau in bisher verfügbaren Hybridkollektoren kaum für eine solar-

thermische Prozesskälteerzeugung nutzbar.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 113

6.2 Anlagenverfügbarkeit

Thermisch angetriebene Kältemaschinen für Kühltemperaturen ≤ 4 °C sind in Tabelle 6.2.1 auf-

geführt (wiederum ohne Anspruch auf Vollständigkeit). Marktverfügbar sind Anlagen, die auf

dem Wirkprinzip der Absorption beruhen und mit dem Stoffpaar NH3/H2O betrieben werden.

In der Literatur werden zudem F&E-Projekte beschrieben, bei denen mit Hilfe von diskontinu-

ierlichen Adsorptionsprozessen mit verschiedenen Stoffpaaren (z.B. Zeolite/H2O, Silica

Gel/H2O, Aktivkohle/Methanol) Eis erzeugt wurde [Dalibard, 2008]. Das Wärmeverhältnis der

bisherigen Entwicklungen liegt jedoch unter dem von Absorptionssystemen mit Ammoni-

ak/Wasser.

Hersteller Produkt Kältemittel/

Sorptions-mittel

Kälte-leistung

[kW]

Kälteträger-temperatur

EERTD Status

Pink GmbH (AT)

Pink Chiller PC19

NH3/H2O 12 – 20 ≥ -5 °C 0.46 – 0.72 Serie

Robur (IT) ACF-RTCF LB NH3/H2O 13 – 67 ≥ -10 °C 0.49 – 0.67 Pilot (Umrüstung

Gas-AbKM)

AGO (DE) congelo NH3/H2O 50 – 1000 -30 – 3 °C 0.46 Projektspez.

Anlagen

Colibri (NL) S-,M-,AD-

und C-Serie NH3/H2O 150 – 10 000 -60 – 10 °C 0.3 – 0.7

Projektspez. Anlagen

ILK (DE) NH3-AKM NH3/H2O 30 – 800 -30 – 10 °C 0.45 – 0.65 Projektspez.

Anlagen

Köhler Industries (DE)

EcoFreeze NH3/H2O 40 – 250 -30 – 0 °C Projektspez.

Anlagen

Tabelle 6.2.1 Verfügbare thermisch angetriebene Kältemaschinen für Kühltemperaturen ≤ 4 °C

Wie sich aus der technischen Analyse ableiten lässt, ist der Einsatz weiterer Komponenten für

den Betrieb einer thermisch angetriebenen Kältemaschine im Bereich der Prozesskälteerzeu-

gung in verschiedenen Kombinationen denkbar:

Rückkühlwerke:

Trockenkühler

Nasskühlturm

Hybridkühler

Solarkollektoren:

PV (Dünnschicht, kristallin)

Solarthermisch (flach, Vakuumröhre, konzentriert)

Hybrid (PV+Thermie)

Speichersysteme

PCM-Speicher (z.B. Eis)

http://www.robur.com/products/pro-solutions/pro-ga-line-acf-rtcf-series-tk-ht-lb-version/description.html


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 114

Kalt-/Heißwasserspeicher

Backup-Systeme

Bereitstellung von Antriebswärme (z.B. gas- oder biomassebefeuerte Systeme, Fern-

wärme)

(Netz-)Elektrische Kälteerzeugung über KKM

Rückkühlwerke, Solar-Kollektoren und Backup-Systeme kommen auch in vielen anderen Berei-

chen der Heizungs-, Klima- und Energietechnik zum Einsatz. Diese Komponenten sind in ver-

schiedenen Leistungsklassen und Varianten auf dem Markt verfügbar, sodass im Rahmen dieser

Studie keine Auflistung von Herstellern erfolgt.

Gleiches gilt für Speichersysteme, besonders für Kalt- und Heißwasserspeicher, allerdings nur

innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches. So muss bei Speichertemperaturen von un-

ter 0 °C im Bereich der Prozesskälte ein spezielleres Anwendungsgebiet der Kältespeicher er-

schlossen werden. Die Verwendung von reinem Wasser in einem Eisspeicher ist dann nicht

mehr ausreichend. Dennoch kann das Prinzip der Kältespeicherung durch Nutzung der Schmel-

zenthalpie von Stoffen / Stoffgemischen zum Einsatz kommen. Abbildung 6.2.1 gibt einen Über-

blick zu Materialklassen, die für PCM-Speicher prinzipiell zur Anwendung kommen können. Im

Temperaturbereich unter 0 °C sind hier Wasser-Salz-Gemische aufgeführt. In Abbildung 6.2.2

sind beispielhaft Schmelztemperaturen von kommerziell verfügbaren PCM dargestellt. Es zeigt

sich, dass Stoffe bzw. Stoffgemische mit geringen Schmelztemperaturen relativ geringe Werte

bezüglich ihrer spezifischen Schmelzenthalpie aufweisen. Dennoch sind auch für den hier be-

trachteten Anwendungsbereich mit Temperaturen von bis zu -20 °C … 30 °C PCM zu finden, die

Werte von über 200 J/g aufweisen (vgl. Wasser: 333.5 J/g).

Abbildung 6.2.1 Materialklassen für PCM-Speicheranwendungen (Beispiele) [Waschull, 2012]


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 115

Abbildung 6.2.2 Kommerzielle PCM-Speichermaterialien (Beispiel: Phase Change Material Products

Ltd.) [Waschull, 2012]

6.3 Erarbeitung und Vergleich beispielhafter Systemkonfigurationen

6.3.1 Anforderungen

Die Anforderungen im Bereich Prozesskühlung unterscheiden sich in den meisten Fällen deut-

lich von denen der Gebäudekühlung, v.a. hinsichtlich:

1. Temperaturniveau der Kältebereitstellung. Bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen der

Prozesskühlung sind Nutztemperaturen zum Teil deutlich unter 6 °C erforderlich (z.B.

Nahrungsmittelindustrie, Handel, chemische Industrie).

2. Höhere Betriebsstundenzahl der Kälteanlage aufgrund häufigerer bis permanenter Last-

anforderung. Teilweise sind ganzjährige, kontinuierliche Kältelasten zu decken.

Diese Anforderungen führen zu anderen Rahmenbedingungen beim Einsatz solarer Kühlsyste-

me verglichen mit denen der Gebäudekühlung. Deren Auswirkungen in energetischer und wirt-

schaftlicher Hinsicht sollen durch verschiedene Modellrechnungen genauer beleuchtet werden.

6.3.2 Solarthermische Kälteerzeugung

Ein solarthermisches Kälteerzeugungssystem (Absorptions- / Adsorptionskälteanlagen) ist ge-

kennzeichnet durch den Bedarf an Antriebswärme. Im Bereich der Prozesskältebereitstellung

wird meist eine hohe Versorgungssicherheit gefordert. Unter Nutzung rein solarer Antriebs-

wärme und begrenzter thermischer Speicherkapazität, wird dadurch die Integration eines Ba-

ckup-Systems bzw. eine Kombination des solar angetriebenen Kältesystems mit alternativen

Kälteerzeugungssystemen notwendig.

Der Einsatz von thermischen Speichern ermöglicht die Steigerung des solaren Deckungsgrades

bei der Kälteerzeugung. Ein Speicher auf der warmen Seite kann zum einen als Pufferspeicher


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 116

dienen, wodurch sich Schwankungen bei der solaren Einstrahlung (z.B. aufgrund von Bewöl-

kung) nicht direkt auf die AbKM und deren Regelverhalten auswirken. Zum anderen muss die

AbKM nicht größer als für die Deckung der Kältelast notwendig dimensioniert werden, da

Überkapazitäten bei der solaren Einstrahlung zu einem späteren Zeitpunkt geringer Einstrah-

lungswerte genutzt werden können. Nachteilig sind die hohen Speichertemperaturen und die

damit verbundenen hohen Verluste. Ein Speicher auf der kalten Seite der Kältemaschine kann

hier Vorteile bringen, da die Temperaturdifferenzen zur Umgebung am Aufstellungsort ggf. ge-

ringer sind. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil, dass bei Wärmeverhältnissen < 1 geringere

Wärmebeträge vorgehalten werden müssen als auf der warmen Seite. Nicht zuletzt können

Speicher auf der kalten Seite in Abhängigkeit der Kühlaufgabe direkt im zu kühlenden Bereich

integriert werden (z.B. in der Kühlzelle). Hierdurch entstehen nur geringe bis keine Energiever-

luste durch einen zusätzlichen Wärmeeinfall. Bei Verwendung von PCM lassen sich kompakte

Speicherlösungen realisieren. Nachteilig sind die niedrigen Ladetemperaturen und die höhere

Kälteanlagenleistung während des Ladevorgangs.

Im Folgenden werden zwei mögliche Varianten der solarthermischen Prozesskühlung vorge-

stellt.

6.3.3 Kompressions-Absorptions-Kaskade

Bei einer Kompressions-Absorptions-Kaskade wird der zu erreichende Temperaturhub in min-

destens zwei Stufen von zwei separaten Kälteanlagen realisiert. Der untere Temperaturhub

kann von einer KKM, der obere von einer AbKM übernommen werden. Bei konstanter Kälte-

nutztemperatur ist die Summe des Temperaturhubs von der Temperatur der Wärmesenke des

Gesamtsystems abhängig. Im Falle eines luftgekühlten Systems entspricht dies der Lufttempe-

ratur der Umgebung. Tages- bzw. jahreszeitliche Schwankungen sind durch die gut regelbare

Kompressionskältemaschine ausgleichbar (Abbildung 6.3.1). Dies gilt auch für einen variablen

Temperaturhub der AbKM aufgrund schwankender Temperaturen der Antriebswärme.

-40 °C0,79 bar

+33 °C; 13,5 bar

-10 °C; 2,79 bar

AKM

KKM

Sommer

KKM

Frühjahr,Herbst

ΔT = +33 K

0 °C; 4,3 bar

+23 °C; 9,4 bar

+13 °C; 6,8 bar

AKM

KKM

AKM

-20 °C; 1,9 bar

Winter

Antriebswärme el. Energie Kälte Abgeführte Wärme

Abbildung 6.3.1 Prinzipielle Funktionsweise einer Absorptions-Kompressionskaskade zur Tiefkälteer-

zeugung mit variabler Mitteltemperatur bzw. konstantem Temperaturhub der AbKM bei variablen Außen-

temperaturen.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 117

Allerdings muss jede der in einer Kaskade verschalteten Anlage – trotz des ggf. reduzierten

Temperaturhubs – die volle Kälteleistung bereitstellen. Ein reduziertes Wärmemengenangebot

und eine damit reduzierte Kälteleistung der AbKM lässt sich mit dieser Verschaltung nicht ohne

weiteres durch die KKM kompensieren. Bei einem fluktuierenden Wärmeangebot, wie im Be-

reich der Solarthermie, sind dann Wärmespeicher erforderlich. Die KKM muss so ausgelegt

werden, dass bei nichtvorhandener Antriebswärme der gesamte Temperaturhub ohne AbKM-

Unterstützung überwunden werden kann.

Zur Kopplung der Kaskadenstufen sind mindestens zwei Varianten denkbar:

• zusätzlicher Zwischenkreislauf (Kühlen des KKM Kondensators über AbKM Verdampfer

durch Umpumpen einer Sole) → Nutzung verfügbarer Komponenten, aber Effizienzver-

lust durch zweifachen Wärmeübergang

• Kombination von AbKM Verdampfer mit KKM Kondensator in einem WÜ → direkte

Wärmeübertragung und damit höhere Effizienz, aber Entwicklungsaufwand (Ab-

bildung 6.3.2)

Das System mit einer Kompressions-Absorptions-Kaskade ist vor allem bei hohen geforderten

Temperaturhüben sinnvoll. Dann kann verfügbare AbKM-Antriebswärme optimal ausgenutzt

werden.

Abbildung 6.3.2 Solarthermisches System zum Antrieb der Absorptions-Stufe einer Kompressions-

Absorptions-Kaskade; bei nicht vorhandener Antriebswärme wird die KKM zweistufig betrieben

6.3.4 Absorptionskälteanlage mit Kompressionskälte-Backup

Die Variante Absorptionskälteanlage mit Kompressionskälte-Backup besteht aus zwei parallel

arbeitenden Kälteanlagen, die beide in der Lage sind, den gesamten benötigten Temperaturhub

zu erbringen (Abbildung 6.3.3). Die Kompressionskälteanlage kann hierbei mit Strom aus dem

Netz oder einem Dieselgenerator angetrieben werden. In der Variante mit Dieselgenerator wä-

re zudem die Nutzung der Abwärme des Stromerzeugers zum Antrieb der AbKM möglich.

Die KKM liefert in dieser Variante immer den von der AbKM nicht zu deckenden Kältebedarf.

Diese Kombination erscheint vorrangig bei moderaten Kältenutztemperaturen sinnvoll und

bietet insbesondere in Anwendungen mit variabler Kältelast oder bei gleichzeitig bestehendem

(solarthermisch zu deckendem) Prozesswärmebedarf (z.B. in Molkereien, Brauereien, Lebens-

mittelindustrie) weitgehende Flexibilität.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 118

+33 °C

-10 °C

AKM KKM

rein solar(starke

Solarstrahlung)

solar / elektrisch (schwache

Solarstrahlung)

ΔT = +39 K

0 °C

+23 °C

+13 °C

rein elektrisch(keine

Solarstrahlung)

AKM KKM

Antriebswärme el. Energie Kälte Abgeführte Wärme

Abbildung 6.3.3 Prinzipielle Funktionsweise einer solarthermisch betriebenen Absorptionskälteanlage

zur Prozesskühlung mit Backup durch eine Kompressionskältemaschine (KKM)

6.3.5 Solarelektrische Kälteerzeugung

Bei der solarelektrischen Kälteerzeugung können im einfachsten Fall klassische Kompressions-

kälteanlagen zum Einsatz kommen. Die nötige elektrische Energie wird zum Teil aus dem Ver-

bundnetz bezogen, zum Teil aus einer PV-Anlage. Ein thermischer Speicher ist nicht zwingend

erforderlich, da von einem netzgekoppelten System ausgegangen wird. Die solare Deckung

kann jedoch durch den Speichereinsatz erhöht werden, was zur Entlastung des Stromnetzes

führt. Die Höhe der solaren Deckung ist von der Dimensionierung der Kälteanlage, der PV-

Anlage und des thermischen Speichers abhängig.

6.4 Simulationsrechnungen und -modelle

6.4.1 Randbedingungen und Systemauswahl

Als beispielhafte Anwendung wird das Kühlen von Frischprodukten gewählt. Die Kältevertei-

lung erfolgt indirekt über einen sekundären Kälteträgerkreislauf. Für eine detailliertere Sys-

tembetrachtung und die anschließend umgesetzte vergleichende Berechnung finden folgende

Anforderungen Berücksichtigung:

• geforderte Lufttemperatur im Kühlraum: +4 °C

• ganzjährig konstante Kälteleistung: 50 kW

Die Systeme sollen als Solekühler mit einer Solevorlauftemperatur von -2 °C und einer Rück-

lauftemperatur von +2 °C betrieben werden. Dieser Temperaturbereich lässt sich mit wasser-

basierten Kälteträgern abdecken, denen aus Kostengründen und Aspekten der Klimawirksam-

keit in diesem Fall der Vorrang gegeben wird. Bei der Auslegung der Systeme wird die Verfüg-

barkeit eines stabilen Stromnetzes vorausgesetzt, sodass netzautarke Systeme nicht explizit be-

trachtet werden.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 119

Aus den diskutierten Systemkonfigurationen werden drei Hauptvarianten abgeleitet bzw. aus-

gewählt:

• rein netzbetriebenes Kompressionskältesystem (Referenz)

• PV-unterstütztes netzgekoppeltes Kompressionskältesystem

• Solarthermisch angetriebenes Absorptionskältesystem mit Backup durch netzgekoppel-

tes Kompressionskältesystem

Bei allen berechneten Varianten wird eine vergleichbare Rückkühlung realisiert. In den Model-

len ist ein Kühlwasserkreislauf mit trockenem Rückkühler vorgesehen. Das Verhalten der Kom-

pressionskältemaschine wird durch die Simulation eines Kältekreislaufes im Modell eingebun-

den. Es liegt die Verwendung des Kältemittels R410A zugrunde.

Die vergleichenden Berechnungen erfolgen mit Klimadaten des italienischen Standortes Paler-

mo. Bei einer jährlichen Einstrahlungssumme von ca. 2 000 kWh/m² können hohe Potentiale

für den Einsatz solarer Kühlung erwartet werden.

Für eine dynamische Anlagensimulation wurden Modelle in dem Programm TRNSYS erstellt.

Details werden im Folgenden für die jeweiligen Systemkonfigurationen kurz erläutert werden.

6.4.2 Netzgekoppeltes Kompressionskältesystem (Referenz)

Als Referenzsystem ist eine Konfiguration ausschließlich mit netzgekoppelter KKM und ohne

solare Unterstützung berücksichtigt (Abbildung 6.4.1). Dieses Referenzsystem wird mit Varian-

ten solar unterstützter Systeme verglichen.

Abbildung 6.4.1 Referenzsystem – netzgekoppelte Kompressionskälteanlage ohne thermische Speicher

Das System wird auf eine Nennleistung von 50 kW bei einer Kälteträgervorlauftemperatur von

-2 °C, einer Verdampfungstemperatur von –6 °C und einer Kondensationstemperatur von 48 °C

(Außentemperatur von ca. 35 °C) ausgelegt. Für diesen Betriebspunkt liefern die Berechnungen

eine Leistungszahl von EER = 2.49 (ohne Rückkühlung) bzw. EER = 2.04 (inkl. Rückkühlung).

Dieser Wert ist relativ hoch verglichen mit gemessenen Werten (luftgekühlter Solekühler: EER

≈ 1.4 bei einer Kälteträgervorlauftemperatur von -2 °C und einer Außentemperatur von 28 °C,

vgl. Abbildung 3.2.15). Allerdings handelte es sich hierbei um eine Einzelmessung. Bei einem


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 120

Vergleich des Berechnungsmodells mit einer Marktübersicht zu wassergekühlten Kaltwasser-

sätzen kann die Plausibilität der errechneten Leistungszahl nachgewiesen werden (siehe Abbil-

dung 6.4.2).

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

0 100 200 300 400 500

EE

R (

wa

sse

rge

kü

hlt

)

Nennkälteleistung [kW]

R410A - Eurovent

R410A - Simulationsmodell

Kühlwasser: 30 / 35 °C, Kaltwasser: 12 / 7 °C

Abbildung 6.4.2 Validierung des Simulationsmodells mit Ergebnissen einer Marktübersicht [Heinrich,

2013] zu wassergekühlten Kaltwassersätzen

Das Kühlwasser wird auf eine feste Differenz zur Außentemperatur (4 K) rückgekühlt. Der im

Modell berücksichtigte Rückkühler kann 73.6 kW Wärme bei Kühlwassertemperaturen von

44 °C / 39 °C und Außentemperaturen von 35 °C abführen. Die elektrische Leistungsaufnahme

des Ventilators beträgt dabei 2.5 kW. Es erfolgt eine Anpassung der Kondensationstemperatur

an die Kühlwassertemperatur, wobei erstere auf einen Minimalwert von 15 °C begrenzt ist.

6.4.3 PV-unterstütztes Kompressionskältesystem

Das PV-unterstützte Kompressionskältesystem beinhaltet neben den Komponenten des Refe-

renzsystems (KKM, Rückkühlung) zusätzlich das PV-Feld sowie einen Kältespeicher (Abbil-

dung 6.4.3).

Abbildung 6.4.3 Solare Kühlung – Bereitstellung der Elektroenergie durch PV-Kollektoren und Ver-

bundnetz; thermischer Speicher auf der kalten Seite


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 121

Bei Außentemperaturen unter dem Auslegungspunkt erhöht sich die bereitstellbare Kälteleis-

tung der KKM aufgrund sinkender Kondensationstemperaturen. Bei ausreichender solarer Ein-

strahlung kann überschüssige Kälteleistung in den Kältespeicher eingespeist werden. Dabei

wird der Speicher mit einer reduzierten Kälteträgervorlauftemperatur von -8 °C (Verdamp-

fungstemperatur KKM von -12 °C) geladen. Die Regelung des Speicherlade- / -entladevorgangs

erfolgt nach einem im Modell hinterlegten Reglungsschema (Tabelle 6.4.1). Ausgehend von ei-

nem PCM-Speicher mit einer Speicherdichte von 93 kWh / m³ werden Berechnungen zu vier

Speichergrößen durchgeführt (0.25 m³ / 0.5 m³ / 1 m³ / 2 m³).

Die modellierten PV-Module sind nach Süden mit 20 ° Neigung ausgerichtet und weisen je nach

Berechnungsvariante eine Fläche von 155 m² / 230 m² / 310 m² auf. Der Nennwirkungsgrad

wird mit 0.13 angenommen, wobei der temperatur- und einstrahlungsabhängige Wirkungsgrad

analog zu den Berechnungen in der Gebäudekühlung nach dem Modell von W. Heydenreich im

Modell hinterlegt ist. Zudem sind Verschaltungsverluste von 2 % und ein maximaler Wirkungs-

grad des Wechselrichters von 96 % berücksichtigt.

Betriebs-modus

Beschreibung KKM-Verdampfungs-

temperatur

Rein solar Starke solare Einstrahlung, Speicher leer Speicher-Bypass deaktiviert, überschüssige Kälteleistung in Speicher, überschüssige elektr. Leistung in Verbundnetz eingespeist

-12 °C

Solar / Verbundnetz

Keine bzw. geringe solare Einstrahlung, Speicher leer Speicher-Bypass aktiv, elektr. Antriebsleistung z.T. aus Verbundnetz

-6 °C

Solar / Speicher

geringe solare Einstrahlung, Speicher nicht leer Speicher-Bypass deaktiviert, Kältebereitstellung über Speicher, solar erzeugte Kälte in Speicher

-12 °C

Speicher Keine solare Einstrahlung, Speicher nicht leer Deckung der Last vollständig über Speicher

KKM deaktiviert

Tabelle 6.4.1 Betriebsmodi des PV-unterstützten Kompressionskältesystems mit thermischem Spei-

cher

Überschüssiger PV-Strom, der nicht zu Deckung der Kühllast bzw. zur Speicherladung einge-

setzt werden kann, wird in das Netz eingespeist. Bei der primärenergetischen Bewertung er-

folgt eine Gutschrift für den eingespeisten Strom entsprechend des landesspezifischen Faktors.

6.4.4 Solarthermische Kühlung

Als Anwendungsbeispiel wird ein solarthermisches System mit Kompressionskälte-Backup ge-

wählt. Die festgelegte Kältenutztemperatur von +4°C ist auch ohne den Einsatz einer Kaskaden-

schaltung realisierbar.

Die Modellierung erfolgt in Anlehnung an das in Abbildung 6.4.4 dargestellte Schema. Die KKM

ist hier als Backup-System in den Kälteträgerkreislauf integriert und kann nach Bedarf zu- bzw.

abgeschaltet werden.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 122

Zur Steigerung des solaren Deckungsgrades verfügen alle Systemvarianten mit AKM über einen

Speicher für die Antriebswärme, der bei den Betrachtungen in seiner Größe variiert wird. Die

maximale Speichertemperatur wurde auf 170 °C festgelegt.

Abbildung 6.4.4 Thermisches Solarsystem mit Sorptionskältemaschine zur Kältebereitstellung auf Nutz-

temperaturniveau, Backup über elektrisch betriebene KKM

Es wurde das Modell einer Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschine mit folgenden Eigen-

schaften verwendet:

- Kälteleistung 50 kW

- Wärmeverhältnis: 0.6

- Heißwasser: Temperaturen: 136/126 °C, Volumenstrom: 7 260 kg/h

- Kühlwasser: Temperaturen: 39/44 °C, Volumenstrom: 22 911 kg/h

- Kaltwasser: Temperaturen: -2/+2 °C, Volumenstrom: 10 740 kg/h

Der Strombedarf der Lösungspumpe wurde nicht berücksichtigt. Die Absorptionskältemaschine

ist in Betrieb, solange im Speicher Heißwasser mit einer Temperatur > 136 °C vorliegt. Die

Kompressionskältemaschine deckt die Differenz zwischen dem konstanten Kältebedarf von

50 kW und der Kälteleistung der AbKM.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 123

6.5 Ergebnisse

6.5.1 Netzgekoppeltes Kompressionskältesystem (Referenz)

Das netzgekoppelte Referenzsystem erbringt im Jahresverlauf eine Kältearbeit von 438 MWh.

Der Stromverbrauch des Verdichters beträgt 102.1 MWh, der Kühlwasserpumpe 5.2 MWh und

der Ventilatoren des Rückkühlers 15.2 MWh. Unter Berücksichtigung dieser drei Verbraucher

ergibt sich ein sEER von 3.58.

6.5.2 PV-unterstütztes Kompressionskältesystem

Zur Bewertung des netzgekoppelten photovoltaisch unterstützten Kompressionskältesystems

werden nachfolgende Kenngrößen betrachtet. Die solare Deckung ist definiert durch:

sDPV = EelKKM,solar / EelKKM,gesamt

wobei EelKKM jeweils den Gesamtverbrauch (Verdichter, Kühlwassserpumpe und Ventilatoren

des Rückkühlers) umfasst.

Die relative Primärenergieeinsparung (∆PErel) im Vergleich zum Referenzsystem errechnet sich

mit dem Zusammenhang:

∆PErel = (PEReferenz – PESolareVariante) / PEReferenz

Abbildung 6.5.1 zeigt zunächst die mit verschiedenen PV-Flächen erreichbare Primärenergie-

einsparung für Systemkonfigurationen ohne Kältespeicher. Der stetige Verlauf wird allerdings

nur durch die Berücksichtigung der Einspeisung von überschüssigem PV-Strom in das Netz er-

reicht. Bei einer Kollektorfläche von 155 m² werden 98 % des PV-Stroms zur Kälteerzeugung

eingesetzt. Bei einer PV-Fläche von 230 m² sinkt dieser Anteil auf 83 % und bei 310 m² auf

69 %.

Abbildung 6.5.1 Primärenergieeinsparung in Abhängigkeit der installierten PV-Kollektorfläche für Sys-

teme ohne Kältespeicher

Durch die Integration eines Kältespeichers können der solare Deckungsgrad sowie der Eigen-

verbrauch von PV-Strom erhöht werden, vgl. Abbildung 6.5.2 Bereits vergleichsweise kleine


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 124

Speicher führen zu einer signifikanten Erhöhung des solaren Deckungsgrades. Die Relevanz des

solaren Deckungsgrades wird jedoch durch die folgenden Abbildungen relativiert.

Abbildung 6.5.3 zeigt, dass die relative Primärenergieeinsparung mit zunehmender Speicher-

größe sinkt, was zunächst unverständlich erscheint. Zwar steigt der solare Deckungsgrad mit

Vergrößerung des Speichers, jedoch arbeitet die Kältemaschine während der Speicherbeladung

mit tieferen Verdampfungstemperaturen und damit geringerer Effizienz. Der sEER sinkt von

3.58 in der Variante ohne Speicher auf 3.29 in der Variante mit 93 kWh Speicherkapazität.

Dadurch erhöht sich der Gesamtstromverbrauch des Systems.

Abbildung 6.5.2 Solare Deckung und Eigenverbrauchsanteil in Abhängigkeit der Speichergröße bei kon-

stanter Kollektorfläche (310 m²)

Abbildung 6.5.3 Relative Primärenergieeinsparung gegenüber dem Referenzsystem in Abhängigkeit der

Speichergröße bei konstanter PV-Kollektorfläche (310 m²) mit Netzeinspeisung überschüssigen PV-Stroms

In Abbildung 6.5.4 sind zur Verdeutlichung die absoluten Werte für den Gesamtstrombedarf zur

Kälteerzeugung, die mögliche gesamte PV-Stromerzeugung sowie die zur Kälteerzeugung nutz-


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 125

bare Strommenge gegenüber gestellt. Weiterhin ist die relative Primärenergieeinsparung bezo-

gen auf die Referenz für den Fall dargestellt, dass überschüssiger PV-Strom nicht in das Netz

eingespeist wird und somit keine primärenergetische Gutschrift erfolgt.

Dabei wird deutlich, dass die Integration eines Kältespeichers unter den gewählten Annahmen

hinsichtlich Verdampfungstemperaturen, Betriebsregime usw. nicht zu einer signifikanten Er-

höhung der Primärenergieeinsparung führt. Selbst bei der größten Speichervariante ist die Käl-

temaschine nur 120 Stunden im Jahr außer Betrieb und die Versorgung erfolgt ausschließlich

über den Speicher. Mit einer Kältemaschine höherer Nennleistung könnte noch mehr PV-Strom

zur Kälteerzeugung verwendet und die Nutzung des Speichers verbessert werden. Eine wesent-

liche Steigerung der solaren Deckung sowie der Primärenergieeinsparung ist aber erst bei

gleichzeitiger Vergrößerung von PV-Feld und Kältemaschinenleistung zu erwarten.

Abbildung 6.5.4 Einfluss der Speichergröße auf den Gesamtstrombedarf zur Kälteerzeugung, den zur

Kälteversorgung nutzbaren PV-Strom sowie die relative Primärenergieeinsparung ohne Netzeinspeisung

überschüssigen PV-Stroms

6.5.3 Solarthermische Kühlung mit netzelektrischem Kompressions-Backup

In die Bewertung der solarthermischen Variante fließen neben den bereits in der Referenz be-

rücksichtigten Verbrauchern die elektrischen Hilfsenergieverbräuche für die Pumpen des So-

larkreislaufes sowie des Heiz- und Rückkühlkreises der AKM ein. Im Folgenden sind die Ergeb-

nisse der Systemsimulationen zusammengefasst. Abbildung 6.5.5 zeigt die relative Primärener-

gieeinsparung in Abhängigkeit der Speichergröße für vier verschiedene Kollektorflächen.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 126

Abbildung 6.5.5 Solare Deckung in Abhängigkeit der Speichergröße und installierten Kollektorfläche

Abbildung 6.5.6 zeigt den Verlauf des solaren Deckungsanteils für die gleichen Konfigurationen.

Aus beiden Darstellungen können Abschätzungen sinnvoller Speichergrößen für verschiedene

Kollektorflächen abgeleitet werden.

Abbildung 6.5.6 Primärenergieeinsparung unter Variation der installierten Kollektorfläche und Spei-

chergröße

Ein direkter Vergleich der PV-gestützten und der solarthermischen Variante kann anhand der

Simulationsrechnungen nur qualitativ erfolgen. Vergleicht man den solaren Deckungsgrad und

die relative Primärenergieeinsparung der solarthermischen Variante mit 400 m² Kollektorflä-

che und einer optimalen Speichergröße von 10 m³ mit der photovoltaisch angetriebenen Vari-

ante mit 310 m² Kollektorfläche und einer Speichergröße von 1 m³ (entsprechend 93 kWh)

werden Vorteile der PV-Variante deutlich. Sie erreicht bei geringerer Kollektorfläche einen so-

laren Deckungsanteil von 44 % gegenüber 26 % in der solarthermischen Variante. Die relative

Primärenergieeinsparung der PV-Variante liegt mit 38 % ebenfalls deutlich über dem Wert der

solarthermischen Variante mit 26 %.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 127

Die Simulationsrechnungen wurden mit dem vom ISE im Teil zur Komfortklimatisierung ermit-

telten mittleren Kennwerten für Vakuumröhrenkollektoren durchgeführt (c0 = 0.67; c1 = 0.8

W/m²K; c2 = 0.005 W/m²K² Ausrichtung: Süd, Neigung: 20 °). Der jährliche Kollektorkreiswir-

kungsgrad beträgt in den berechneten Varianten 26 bis 29 %.

Konzentrierende Kollektoren (Parabolrinnen, Fresnel) können an Standorten mit hohem Di-

rektstrahlungsanteil höhere spezifische Jahreserträge und damit höhere solare Deckungsbei-

träge erreichen als Vakuumröhrenkollektoren. Im Rahmen dieser Studie wurden keine kon-

zentrierenden Systeme berechnet. Vergleichende Aussagen zur Leistungsfähigkeit gegenüber

der PV-Variante können daher nicht getroffen werden.

Bezüglich der Energiespeicherung wird in dem gewählten Beispiel der signifikante Vorteil der

Wärmespeicherung mit Phasenwechselmaterialien (z.B. Wasser/Eis) deutlich. Die mit dem Eis-

speicher ausgestattete PV-Variante benötigt ein deutlich kleineres Speichervolumen als der

Heißwasserspeicher in der solarthermischen Variante. Bei Verwendung von Ammoni-

ak/Wasser-AbKM könnte ebenfalls ein Eisspeicher auf der kalten Seite eingesetzt werden. Al-

lerdings müsste die AbKM dann auf eine höhere Leistung sowie für niedrigere Kältetemperatu-

ren ausgelegt werden. Zudem würden höhere Antriebstemperaturen benötigt.

Unter den gewählten Randbedingungen liegen die energetischen Vorteile auf Seiten der PV-

Variante mit Kompressionskälte. Durch den Einsatz von konzentrierenden Kollektoren kann die

Leistungsfähigkeit der thermischen Variante verbessert werden.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 128

7 Veröffentlichungen

Tagungsbeiträge

P. Zachmeier et al.: Potential and Limits of Solar Thermal and Solar Electrical Cooling. 4th Interna-

tional Conference Solar Air-Conditioning, 12.-14. Oktober 2011, Larnaka, Zypern

M. Safarik, C. Schweigler, E. Wiemken, P. Zachmeier: Assessment of perspectives of Solar Cooling

Technologies. International Sorption Heat Pump Conference (ISHPC), 6.-8. April 2011, Padua, Italien

K. Hagel et al.: Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Kühlung im Vergleich zu Referenz-

technologien – Analyse von solar-thermischer und photovoltaisch gespeister Kälteerzeugung. 22.

Symposium Thermische Solarenergie 9.-11. Mai 2012, Kloster Banz, Bad Staffelstein

B. Nienborg, E. Wiemken, A. R. Petry Elias, P. Zachmeier, M. Safarik, F. P. Schmidt, C. Glück: EVASOLK

- Perspektiven von solarthermischer und photovoltaischer Kühlung. Gleisdorf Solar 2012, 12.-14.

September 2012, Gleisdorf, Österreich

E. Wiemken, B. Nienborg, A. R. Petry Elias: Evaluation of Solar Cooling in Comparison to Reference

Technologies. Eurosun 2012, 18.-20. September 2012, Rijeka, Kroatien

S. Wittig, M. Safarik, P. Zachmeier: Monitoring und Effizienzermittlung - Vier Kompressionskältesys-

teme in unterschiedlichen Anwendungen. Deutsche Kälte-Klima-Tagung, Würzburg, 2012

E. Wiemken, B. Nienborg, A. R. Petry Elias, J. Döll: EVASOLK – Perspektiven Solarer Kühlung.

23. Symposium Thermische Solarenergie, 24.-26. April 2013, Kloster Banz, Bad Staffelstein

E. Wiemken, A. R. Petry Elias, B. Nienborg: Aspects on solar thermally driven heating and cooling

and PV supported energy supply in buildings. 5th International Conference Solar Air-Conditioning,

25.-27. September 2013, Bad Krozingen

Fachvorträge

E. Wiemken, M. Safarik, M. Riepl: Evaluierung der Chancen und Grenzen von solarer Kühlung im

Vergleich zu Referenztechnologien – Analyse von solarthermischer und photovoltaisch gespeister

Kälteerzeugung. BMU-Statusworkshop Solare Kühlung, 6. November 2012, Berlin

S. Wittig, M. Safarik: Monitoring und Effizienzermittlung von Kompressionskältesystemen - Techno-

logievergleich solarer Kühlung. DKV Bezirksverein Sachsen, 3. Dezember 2012, Dresden

M. Safarik: Monitoring und Effizienzermittlung von Kompressionskältesystemen - Technologiever-

gleich solarer Kühlung. DKV Bezirksverein Berlin-Brandenburg, 4. Dezember 2012, Berlin

M. Safarik, S. Wittig, P. Zachmeier: Monitoring of different compression systems within the EvaSolK-

Project. IEA SHC Task 48, 4th Expert Meeting, 10. April 2013, Newcastle, Australien

M. Safarik, K. Hagel: Monitoring und Effizienzermittlung verschiedener Kompressionskältesysteme.

DKV Bezirksverein München, 13. Mai 2013, München


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 129

8 Literatur

[18599, 2007] 18599, DIN V : DIN V 18599 - 7: Energetische Bewertung von Gebäuden - Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung – Teil 7: Endener-giebedarf von Raumlufttechnik- und Klimakältesystemen für den Nichtwohnungsbau. Beuth Verlag Berlin, 2007

[Albers, 2012]

J. Albers: Absorptionskälteanlagen und –wärmepumpen – Grundlagen und neue Entwicklungen. Präsentation

auf den Berliner Energietagen, Mai 2012, Berlin

[Ayadi, 2008]

O. Ayadi, J. Doell, M. Aprile, M. Motta, T. Núñez: Solar Energy Cools Milk. Tagungsbeitrag zur EuroSun 2008,

Lissabon

[BINE, 2009]

Vorschlag zur kombinierten Bewertungsgröße F1 in: Kühlen und Klimatisieren mit Wärme; Kapitel 3. Infor-

mationspaket des BINE Informationsdienstes. Verlag Solarpraxis AG, 2009, ISBN 978-3-934595-81-1

[Braun, 2002]

R. Braun, R. Hess: Solar cooling. Tagungsbeitrag zum World 7th Renewable Energy Congress 2002, Köln

[BSW, 2012]

Fahrplan Solarwärme – Strategie und Maßnahmen der Solarwärme-Branche für ein beschleunigtes Markt-

wachstum bis 2030. Bericht des Bundesverband Solarwirtschaft e.V. (BSW), Juni 2012

[Dalibard, 2008] A. Dalibard: Solar adsorption cooling. Präsentation SolNet Course on Solar Cooling, Mailand, 2008 [Döll, 2013] J. Döll, H. Bentaher: Erste Ergebnisse der Pilotanlage eines solarthermisch betriebenen Kühlhauses. 23. Sym-posium Thermische Solarenergie, April 2013, Kloster Banz, Bad Staffelstein [Eicker, 2009] U. Eicker: Low Energy Cooling for Sustainable Buildings. John Wiley & Sons, Ltd., 2009 [Heinrich, 2013] C. Heinrich et al.: Nachhaltige Kälteversorgung in Deutschland an den Beispielen der Gebäudeklimatisierung und Industrie. Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH, 2013

[Henning, 2011]

H.-M. Henning, E. Wiemken: Appropriate solutions using solar energy – basic comparison of solar thermal and

photovoltaic approaches. Tagungsbeitrag zur 4th International Conference Solar Air-Conditioning, 12.-14.

Oktober 2011, Larnaka, Cyprus

[Henning, 2012]

H.-M. Henning: Solar Systems for Heating and Cooling of Buildings. Tagungsbeitrag zur Annual Conference

Sustainable Energy 2012, Institute for Sustainable Energy, University of Malta, 2012, Qawra, Malta


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 130

[Heydenreich, 1996]

W. Heydenreich, E. Wiemken, H. Gabler, K. Kiefer: Correlation between Photovoltaic Energy Production and

Household Electricity Consumption – Evaluation of Data from the German Thousand Roofs Programme.

Tagungsbeitrag zur Eurosun 1996, Freiburg

[IEA-SHC Task 48]

Task 48 ‚Quality Assurance and Support Measures for Solar Cooling Systems‘ im Solar Heating and Cooling

Programme (SHC) der International Energy Agency (IEA).

http://task48.iea-shc.org/

[Jakob, 2012]

U. Jakob: Wo steht die solare Kühlung heute? Beitrag in Sonne Wind & Wärme 6/2012

[Krawinkler, 2008]

R. Krawinkler, Österreichische Energieagentur (Hrsg.): Methodenvorschlag Kühlung bei Nichtwohngebäuden.

Im Auftrag des BMWA. Juli 2008.

http://www.monitoringstelle.at/fileadmin/dam/spritspar/downloads/methoden/Kuehlung.pdf (Juni 2013)

[Miara, 2011]

M. Miara, D. Günther, T. Kramer, T. Oltersdorf, J. Wapler: Wärmepumpen Effizienz – Messtechnische Untersu-

chungen von Wärmepumpenanlagen zur Analyse und Bewertung der Effizienz im Betrieb. Endbericht 2011,

Fraunhofer ISE, Freiburg

[Motta, 2010] M. Motta: Solar cooling in Tunisia (and Marocco): results from two projects with concentrating collectors. Tagungsbeitrag zu 4. Internationales Symposium Solares und Erneuerbares Kühlen, Stuttgart, 2010 [Phaesun, 2011] Phaesun: Factsheet: Container Systems, 2011. URL: http://www.phaesun.com/fileadmin/user_upload/_Phaesun_Corporate_Website/Downloads/Factsheets/PN_Factsheet2011_ContainerSystems.pdf [Pink, 2007] W. Pink: Solare Kühlung - Absorptionskältetechnologie im kleinen Leistungsbereich, Tagung plan Sol, Eisen-stadt, 2007 [Schubert, 2012] M. Schubert: Energy services and economics of solar cooling plants. Tagungsbeitrag zu 4. Internationales Symposium Solares und Erneuerbares Kühlen, Stuttgart, 2010 [UBA, 2011] Umweltbundesamt, Studie: „Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid Emission des deutschen Strommix 1990-2010 und erste Schätzung 2011“ http://www.umweltbundesamt.de/energie/archiv/co2-strommix.pdf

[Vahlenkamp, 2007]

T. Vahlenkamp (Editor): Kosten und Potenziale der Vermeidung von Treibhausgasemissionen in Deutschland

– Sektorperspektive Gebäude. McKinsey & Company, im Auftrag des BDI, 2007

http://task48.iea-shc.org/

http://www.phaesun.com/fileadmin/user_upload/_Phaesun_Corporate_Website/Downloads/Factsheets/PN_Factsheet2011_ContainerSystems.pdf

http://www.phaesun.com/fileadmin/user_upload/_Phaesun_Corporate_Website/Downloads/Factsheets/PN_Factsheet2011_ContainerSystems.pdf

http://www.umweltbundesamt.de/energie/archiv/co2-strommix.pdf


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 131

[Voss, 2010]

K. Voss et al.: Load-Matching and Grid Interaction of Net Zero Energy Buildings. Tagungsbeitrag zur EuroSun

2010, Graz

[Waschull, 2012] J. Waschull: Latentwärmespeicherung in der Kälte- und Klimatechnik. Präsentation DKV-Bezirksverein Sach-sen, 2012 [Zetzsche, 2008] M. Zetzsche, T. Koller, H. Müller-Steinhagen: Solar Cooling with an Ammonia-Water Absorption Chiller. Ta-gungsbeitrag zur EuroSun 2008, Lissabon


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 132

Anhänge

Die Hauptnummern der Anhänge verweisen auf die zugehörige Kapitelnummer


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 133

Anhang A5.1 – Nomenklatur

AbKM Absorptionskältemaschine

AdKM Adsorptionskältemaschine

EERKKM Energy Efficiency Ratio einer elektrisch betriebenen Kompressionskältema-schine: elektrische Leistungszahl [ kWNutzkälteleistung / kWel ]

EERTKM Energy Efficiency Ratio einer thermisch angetriebenen Kältemaschine: Wärmeleistungsverhältnis Kälteleistung / Antriebswärmeleistung [ kWNutzkälteleistung / kWAntriebswärmeleistung ]

FK Flachkollektor

GK Gaskessel

KKM Kompressionskältemaschine, elektrisch betrieben

Kollektor-Nutzungsgrad Kollektorertrag (z.B. Jahresertrag), bezogen auf die Einstrahlungssumme des gleichen Zeitraums in Kollektorebene [ kWhthermisch / kWhEinstrahlung ]

LiK linear-konzentrierender Kollektor

PE Primärenergie

Q0 Nennkälteleistung der Kälteanlage

sEERKKM Energy Efficiency Ratio, saisonaler Wert, einer elektrisch betriebenen Kom-pressionskältemaschine: saisonale elektrische Arbeitszahl [ kWhNutzkälte / kWhel ]

sEERTKM Energy Efficiency Ratio, saisonaler Wert, einer thermisch angetriebenen Käl-temaschine: saisonales Wärmeverhältnis Nutzkälte / Antriebswärme [ kWhNutzkälte / kWhAntriebswärme ]

sEERTKM,el Energy Efficiency Ratio, saisonaler Wert, einer thermisch angetriebenen Käl-temaschine: saisonale elektrische Arbeitszahl [ kWhNutzkälte / kWhel ]

Spezifischer Kollektorertrag Jahreskollektorertrag, bezogen auf die installierte Kollektorfläche (Aperturfläche) [kWhthermisch / m² ]

TKM thermisch angetriebene Absorptions- oder Adsorptionskältemaschine

Volllast-Betriebsstunden Nutzertrag (z.B. Nutzkälte) bezogen auf die Nennleistung der Komponente [kWh / kWP_nenn ]

VRK Vakuumröhrenkollektor

WP Kompressionswärmepumpe, elektrisch betrieben


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 134

Anhang A5.2 – Standorte (solare Kühlung in Gebäuden)

Standort Koordi-

naten

Ein-

strahlung

global, horizon-

tal

Ein-strahlung

direkt,

normal

Tempera-

tur: Höchst-

wert (Monats-

mittel)

Tempera-

tur: Tiefst-

wert (Monats-

mittel)

Gradtag-zahl20/15

VDI

2067*

Kühl-

gradtag-zahl20/20

Klima-region

nach

Köppen

Klima-

region

nach Troll /

Paffen

Daten-

quelle

° Breite ° Länge

kWh/m² kWh/m² °C °C K K

Berlin DE 52.53

13.42 1017 914 18.7 -1.0 3780 49 Cfb III,3 M6

Bonn DE 50.73

7.10 973 789 19.0 2.6 3260 60 Cfb III,3 M6

Kassel DE 51.30 9.50

978 804 18.4 0.9 3650 33 Cfb III,3 M6

Stuttgart DE 48.78

9.20 1088 961 19.1 0.6 3545 64 Cfb III,3 M6

Passau DE 48.57

13.45 1102 ** 17.4 -2.6 4110 30 Cfb III,3

DWD-

TRJ

Freiburg DE 48.00

7.85 1101 975 19.6 1.6 3320 84 Cfb III,3 M6

Stras-

bourg FR

48.58 7.75

1100 932 20.1 1.8 3190 100 Cfb III,3 M6

Toulouse FR 43.62

1.45 1337 1249 22.4 6.3 2330 226 Cfb III,2 M6

Athen GR 38.00

23.73 1582 1483 28.,1 10.7 1190 819 Csa IV,1 M6

Palermo IT 38.10

13.38 1716 1807 26.8 12.8 804 709 Csa IV,1 M6

Madrid ES 40.41

-3.71 1641 1769 26.4 6.4 2090 605 BSk/Csa IV,1 M6

Sevilla ES 37.40

-5.98 1754 1881 28.3 11.4 872 992 Csa IV,1 M6

Granada ES 37.17

-3.58 1756 1923 26.2 6.9 1885 571 Csa IV,1 M6

Antalya TR 36.89

30.70 1802 1959 28.7 6.5 1012 959 Csa IV,1 M6

Tunis TN 36.84 10.22

1805 1906 28.2 9.0 903 866 Csa IV,1 M6

Bechar DZ 31.62

-2.23 2113 2569 33.5 9.9 972 1770 BWh IV,5 M6

Quarza-

zate MA

30.93 -6.90

2134 2533 31.1 9.6 1090 1205 BWh/BS

k IV,2 M6

Charakteristische Merkmale repräsentativer Standorte in Mittel-/Südeuropa und Nordafrika. In der Ver-gleichsstudie (AP4) werden für Anwendungen in Mittel-/Südeuropa meteorologische Daten der hellblau unterlegten Standorte verwendet; für Untersuchungen mit konzentrierender Kollektortechnik werden Daten der dunkelblau unterlegten Standorte herangezogen.

* Durch die Verwendung von Temperaturdaten aus der METEONORM© Datenbank können die Gradtag-zahlen geringfügig von den Angaben aus anderen Quellen für die gleichen Standorte abweichen.

** nicht ausgewertet


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 135

Freiburg

Palermo

Bechar

Zur Auswahl der Standorte wurden unter anderem die Einstrahlungsverteilungen und Einstrahlungshäu-figkeiten herangezogen, hier auszugsweise für drei Standorte (Deutschland, Italien und Algerien) darge-stellt.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 136

Anhang A5.3 – Anwendungen (solare Kühlung in Gebäuden)

Gebäudemodelle

In der Simulationsstudie werden die Gebäudemodelle getrennt von den Klimatisierungs-systemen simu-

liert. Durch die vom System entkoppelte Gebäudesimulationen werden die Heiz- und Kühllasten berech-

net, die in einem weiteren Schritt in den Systemsimulationen eingesetzt werden. Im Folgenden werden

die Gebäudemodelle beschrieben, die zur Erstellung der Lastdaten eingesetzt werden.

Anwendung A (Wohngebäude)

Als Gebäudemodell in Anwendung A dient ein 3-stöckiges Mehrfamilienhaus mit 6 Wohneinheiten mit

den Abmaßen von 8,6 m x 23,4 m x 10 m (Höhe x Länge x Breite). Die Grundfläche einer Wohneinheit be-

trägt ca. 90 m², womit sich eine klimatisierte Gesamtgrundfläche von etwa 540 m² ergibt. Die Fensterflä-

che beträgt an allen Außenfassaden 20 %, außer an der Südfassade, dort beträgt sie 25 %. Zur Reduzie-

rung des Simulationsaufwands wurden die ersten beiden Wohneinheiten (Grund-und erstes Geschoss)

auf jeweils beiden Seiten des Treppenhauses zu einer thermischen Zone zusammengefasst. Das Treppen-

haus bildet eine separate thermische Zone, die nicht klimatisiert wird. Der Gebäudestandard richtet sich

nach den Anforderungen für Wohngebäude (Neubau) aus der EnEV 2009. Die darin enthaltenen Vorga-

ben zu den Wärmedurchgangs-koeffizienten (U-Werten) von Außenflächen und Fenster werden durch

das Modell eingehalten.

Die Abbildung unten links zeigt das Belegungsprofil der Anwendung A. Über das Profil wird die Wärme-

abgabe der Bewohner bestimmt. Weitere interne Wärmequellen wie Geräte oder Beleuchtung werden

durch ein weiteres Profil berücksichtigt. Das Profil ist in der Abbildung unten rechts dargestellt.

Anwendung A: Belegungsprofil (Mehrfamilienhaus) an Werktagen und am Wochenende (links) und tägli-

ches Profil der sonstigen spezifischen internen Wärmelasten pro Quadratmeter Wohnfläche (rechts).

Für die Anwendung A wurde neben der Heiz- und Kühllastdatei auch eine Datei mit einem Brauchwarm-

wasserzapfprofil erstellt, um in der Systemsimulation den Energieaufwand zur Erwärmung des Brauch-

warmwassers zu berechnen. Um eine angemessene Dynamik des Zapfprofils abzubilden, wurden auf sta-

tischen, periodischen Profilvorgaben nach Norm verzichtet und mit Hilfe des Programms DHWcalc ein

Zapfprofil erstellt. Dieses verteilt statistisch einen vorher festgelegten mittleren täglichen Warmwasser-

bedarf auf ein einstellbares Grundprofil. Der mittlere tägliche Warmwasserbedarf beträgt 900 Liter pro

Tag, was 50 Liter pro Person und Tag entsprechen.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 137

Anwendung B (Bürogebäude)

Für die Anwendung B wurde eine Etage eines Bürokomplexes abgebildet, das einen kreuzförmigen

Grundriss hat. Die Etage ist unterteilt in vier klimatisierte Bürozonen, die jeweils in eine Himmelsrich-

tung orientiert sind. Der Korridor ist mittig angelegt und wird nicht klimatisiert. Die Bürozonen sind

identisch in Größe und Belegung und bemessen 3,3 m x 13,2 x 5,6 m (Höhe x Länge x Breite). Das Bild un-

ten zeigt den Grundriss der beschriebenen Büroetage. Das Verhältnis von Fensterfläche zu Außenfassa-

den beträgt 20 %. Die Gesamtfläche pro Etage beträgt etwa 300 m², wobei 259 m² davon klimatisiert

werden. Jede der Bürozonen ist in drei Räume à 22 m² unterteilt. In jedem Büroraum befinden sich Ar-

beitsplätze für zwei Personen, was eine Gesamtbelegung von 24 Personen ergibt.

13.2 m

3.3 m

N

5.6 m

Zugang

etc.

Büro

Flur

Grundriss der Anwendung B (Büroetage). Es wird angenommen, dass die angrenzenden Geschosse ober- und

unterhalb identisch im Aufbau und in der Klimatisierung sind wie das abgebildete Geschoss.

Die untere Abbildung links zeigt das wöchentliche Belegungsprofil für das Modell der Anwendung B, das

die Wärmeabgabe der Personen festlegt. Weitere Wärmelasten, die durch interne Wärmequellen wie

Computer und Beleuchtung entstehen, werden im Profil rechts dargestellt.

0

5

10

15

20

25

30

0:0

0

2:0

0

4:0

0

6:0

0

8:0

0

10

:00

12

:00

14

:00

16

:00

18

:00

20

:00

22

:00

00

:00

Per

son

en

Werktag Samstag

0

2

4

6

8

10

12

14

0:0

0

2:0

0

4:0

0

6:0

0

8:0

0

10

:00

12

:00

14

:00

16

:00

18

:00

20

:00

22

:00

00

:00

Wär

mel

ast

[ W

/ m

² ]

Werktag Samstag Sonntag

Anwendung B: Belegungsprofil für das Etagenmodell eines Bürogebäudes an Werktagen und am Samstag

(links) und Profil der sonstigen spezifischen internen Wärmelasten pro Quadratmeter Bürofläche (rechts).

Bei der Büroetage wird zwischen zwei Lüftungsvarianten unterschieden: bei der ersten Variante (An-

wendung B) ist ein Zuluftsystem vorgesehen (mittelgroße Bürogebäude), bei der zweiten ein Zuluft-

/Abluftsystem mit Wärmerückgewinnung (Anwendung B+). Die Lüftungsvarianten ergeben unterschied-

liche Heiz- und Kühllastprofile. Die Gebäudegröße und damit die Gesamtheiz- und kühllast wird über die

Anzahl der Büroetagen skaliert.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 138

Anwendung C (Hotelgebäude)

Als Grundlage für die Anwendung C dient eine Etage, die wie die oben beschriebene Büroetage aufgebaut

ist. Das bedeutet, dass die Geometrie, die U-Werte der Außenflächen sowie Fensterflächenanteile iden-

tisch zum Bürogeschoss sind. Die Unterschiede kommen hauptsächlich durch unterschiedliche interne

Wärmequellen und Belegungsprofile (Hotelnutzung) zustande, die eine Klimatisierung und Lüftung zu

anderen Zeiten erforderlich machen. Damit ergeben sich andere Heiz- und Kühllasten. Zusätzlich wird

ein Zapfprofil für das Brauchwarmwasser eingesetzt, das mit dem Programm DHWcalc erstellt wurde.

Die internen spezifischen Wärmelasten pro m² Raumfläche werden im Tagesprofil in der Abbildung un-

ten rechts gezeigt.

Es wird angenommen, dass in jeder der vier thermischen Zonen drei Hotelgäste Platz finden. Das ergibt

bei einer Vollbelegung 12 Gäste pro Hoteletage. Tagsüber verringert sich die Anzahl an anwesenden Ho-

telgästen stufenweise bis auf zwei Personen. Ab 15 Uhr nimmt die Belegung bis zum Erreichen der Voll-

belegung stufenweise zu. Dieses Belegungsprofil wiederholt sich täglich und wird in der Abbildung unten

links dargestellt. Im Hotelgebäude wird neben den Gästezimmern auch der Flur klimatisiert, womit sich

eine klimatisierte Grundfläche von 300 m² ergibt.

Das Gebäudemodell für die Anwendung C wird wie Anwendung B über die Etagenanzahl skaliert. Analog

dazu wird zwischen kleiner (C) und größerer Anwendung (C+) differenziert, die sich neben der Etagen-

anzahl durch das Lüftungssystem unterscheiden.

0

2

4

6

8

10

12

14

0:0

0

2:0

0

4:0

0

6:0

0

8:0

0

10

:00

12

:00

14

:00

16

:00

18

:00

20

:00

22

:00

0:0

0

Per

son

en

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0:0

0

2:0

0

4:0

0

6:0

0

8:0

0

10

:00

12

:00

14

:00

16

:00

18

:00

20

:00

22

:00

0:0

0

Wär

mel

aste

n [

W /

m²

]

Anwendung C: Tägliches Belegungsprofil (links) und tägliches Profil der spezifischen sonstigen internen

Wärmelasten pro Quadratmeter Raumfläche (rechts).


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 139

kWh/m² kWh/m² kWh/m²

Bonn DE 33.9 15.5 14.4 1.1

Stuttgart DE 38.9 17.2 16.1 1.1

Freiburg DE 35.6 19.6 17.8 1.8

Toulouse FR 16.0 30.4 28.6 1.7

Athen GR 1.9 52.6 51.0 1.7

Palermo IT 0.04 62.0 52.6 9.5

Madrid ES 11.5 40.6 40.4 0.2

Bonn DE 48.0 24.5 23.3 1.2

Stuttgart DE 54.2 26.0 24.7 1.3

Freiburg DE 49.7 29.3 27.0 2.3

Toulouse FR 26.4 43.6 41.3 2.3

Athen GR 6.3 70.3 69.0 1.4

Palermo IT 2.0 78.1 66.7 11.5

Madrid ES 21.2 52.0 51.7 0.3

Antalya TU 4.4 75.8 71.3 4.5

Bechar AG 6.4 93.4 93.4 0.01

Bonn DE 39.0 27.1 25.8 1.3

Stuttgart DE 44.3 28.1 26.8 1.3

Freiburg DE 40.7 31.6 29.1 2.4

Toulouse FR 20.4 46.0 43.6 2.4

Athen GR 4.0 71.5 70.0 1.5

Palermo IT 1.1 80.9 69.0 11.9

Madrid ES 16.0 53.0 52.7 0.3

Antalya TU 2.8 76.4 71.6 4.8

Bechar AG 4.6 91.0 91.0 0.01

Bonn DE 82.6 11.0 8.5 2.5

Stuttgart DE 91.6 12.1 9.6 2.5

Freiburg DE 85.4 15.2 11.4 3.8

Toulouse FR 52.6 25.9 22.0 4.0

Athen GR 20.8 49.9 46.1 3.8

Palermo IT 11.1 61.2 42.1 19.1

Madrid ES 44.8 32.4 31.8 0.6

Antalya TU 17.1 55.8 46.5 9.4

Bechar AG 19.6 69.4 69.4 0.1

Bonn DE 55.4 15.3 13.0 2.3

Stuttgart DE 61.7 16.4 14.0 2.5

Freiburg DE 57.4 19.4 15.7 3.7

Toulouse FR 33.2 30.3 26.5 3.8

Athen GR 10.7 52.6 48.7 4.0

Palermo IT 4.6 65.5 46.1 19.4

Madrid ES 27.5 35.2 34.6 0.5

Antalya TU 8.7 58.4 48.8 9.7

Bechar AG 10.8 67.5 67.4 0.1

Wohngebäude (540 m²)

Büro-Etagenscheibe, mittelgroß (260 m²)

Büro-Etagenscheibe, groß (260 m²)

Hotel-Etagenscheibe, mittelgroß (302 m²)

Hotel-Etagenscheibe, groß (302 m²)

kWh/m²

Heizen, sensibel Kühlen, gesamt Kühlen, sensibel Kühlen, latent

Anwendung A (540 m²)

Anwendung B ; Daten je Scheibe (260 m²)

Anwendung B+ ; Daten je Scheibe (260 m²)

Anwendung C+ ; Daten je Scheibe (302 m²)

Anwendung C ; Daten je Scheibe (302 m²)

Jährlicher spezifischer Heiz- und Kühlbedarf der Anwendungen an den ausgewählten Standorten. In der Systemsimulation werden in den Anwendungen B und C jeweils zwei Gebäudescheiben (Etagen) einge-setzt, in den Anwendungen B+ und C+ jeweils acht Gebäudescheiben.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 140

W/m² W/m² kW kW kW kW kW kW

Bonn DE 50.7 29.8 28.3 27.4 16.1 15.3 24.5 13.6 12.4

Stuttgart DE 53.3 31.1 28.7 28.8 16.8 15.5 26.2 14.3 13.3

Freiburg DE 51.9 30.6 27.8 28 16.5 15 25 15.4 13.3

Toulouse FR 44.1 41.1 33.5 23.8 22.2 18.1 21.6 17.4 14.8

Athen GR 29.1 45.2 39.6 15.7 24.4 21.4 10.8 20.9 19.2

Palermo IT 12.6 46.5 37.0 6.8 25.1 20 0.4 22.4 17.4

Madrid ES 38.9 41.5 41.5 21 22.4 22.4 18.7 19.9 19.9

Bonn DE 89.2 61.9 55.0 23.2 16.1 14.3 19.7 13.5 12.5

Stuttgart DE 91.5 63.1 58.5 23.8 16.4 15.2 20.7 14.8 13.3

Freiburg DE 91.5 73.5 62.3 23.8 19.1 16.2 20.5 16.1 13.8

Toulouse FR 84.6 71.5 62.3 22 18.6 16.2 17.7 17.2 15.6

Athen GR 62.3 86.5 68.5 16.2 22.5 17.8 10 18.1 16.7

Palermo IT 37.7 86.9 65.8 9.8 22.6 17.1 5.6 20.5 16.5

Madrid ES 79.2 71.5 65.4 20.6 18.6 17 16.8 16.2 16

Antalya TU 51.9 88.8 61.5 13.5 23.1 16 8.5 19.5 15.5

Bechar AG 63.1 76.2 76.2 16.4 19.8 19.8 11.5 18.8 18.8

Bonn DE 85.8 61.9 54.6 22.3 16.1 14.2 19.6 13.6 12.5

Stuttgart DE 89.2 63.5 58.1 23.2 16.5 15.1 20.2 14.8 13.4

Freiburg DE 86.9 73.5 62.3 22.6 19.1 16.2 19.7 16.1 13.7

Toulouse FR 78.5 71.5 61.9 20.4 18.6 16.1 17.6 17.2 15.3

Athen GR 60.4 86.2 68.1 15.7 22.4 17.7 8.9 17.9 16.4

Palermo IT 33.8 86.5 65.4 8.8 22.5 17 4.2 20.3 16.1

Madrid ES 74.6 71.5 63.8 19.4 18.6 16.6 16.3 15.9 15.8

Antalya TU 50.0 88.1 60.4 13 22.9 15.7 7.6 18.5 15.3

Bechar AG 61.5 71.2 71.2 16 18.5 18.5 10.5 17.7 17.7

Bonn DE 70.2 30.1 25.2 21.2 9.1 7.6 18.6 8 6.7

Stuttgart DE 74.2 34.8 28.5 22.4 10.5 8.6 19.5 8.6 7.4

Freiburg DE 70.2 37.4 29.1 21.2 11.3 8.8 18.9 9.6 7.4

Toulouse FR 62.3 45.4 35.4 18.8 13.7 10.7 17.2 10.7 9

Athen GR 47.7 51.7 42.4 14.4 15.6 12.8 12 13.3 10.9

Palermo IT 35.4 56.0 36.8 10.7 16.9 11.1 8.1 14.8 10.3

Madrid ES 57.3 43.7 41.4 17.3 13.2 12.5 16.1 10.3 10.3

Antalya TU 40.1 61.3 38.4 12.1 18.5 11.6 10.5 14.9 10.5

Bechar AG 52.6 49.7 49.7 15.9 15 15 13.8 13.1 13.1

Bonn DE 58.9 31.8 27.5 17.8 9.6 8.3 15.5 8.3 7.3

Stuttgart DE 61.9 37.1 29.8 18.7 11.2 9 16.3 9.1 7.8

Freiburg DE 58.6 38.7 30.1 17.7 11.7 9.1 15.6 10 7.8

Toulouse FR 51.7 46.7 35.8 15.6 14.1 10.8 14.3 10.7 9.1

Athen GR 38.1 51.7 42.7 11.5 15.6 12.9 8.8 13.2 10.8

Palermo IT 25.5 55.6 36.8 7.7 16.8 11.1 5.3 14.7 10

Madrid ES 47.7 44.0 41.4 14.4 13.3 12.5 13.2 10.6 10.4

Antalya TU 32.5 61.3 38.1 9.8 18.5 11.5 7.6 14.6 10.3

Bechar AG 43.0 45.0 45.0 13 13.6 13.6 10.8 12.3 12.3

Büro-Etagenscheibe, groß (260 m²)

Büro-Etagenscheibe, mittelgroß (260 m²)

Hotel-Etagenscheibe, mittelgroß (302 m²)

Hotel-Etagenscheibe, groß (302 m²)

Wohngebäude (540 m²)

Lastspitze

Heizen*

sensibel

Lastspitze

Kühlen*

Lastspitze

Heizen*

sensibel

Lastspitze

Kühlen*

Lastspitze

Heizen**

sensibel

Lastspitze

Kühlen**

Lastspitze

Kühlen**

sensibel

W/m²

Lastspitze

Kühlen*

sensibel

Lastspitze

Kühlen*

sensibel

Anwendung A (540 m²)

Anwendung B ; Daten je Scheibe (260 m²)

Anwendung B+ ; Daten je Scheibe (260 m²)

Anwendung C+ ; Daten je Scheibe (302 m²)

Anwendung C ; Daten je Scheibe (302 m²)

Lastspitzen aus den Jahreszeitreihen (Zeitauflösung: 60 Minuten) des Heiz- und Kühlbedarfs an den aus-gewählten Standorten. Flächenbezug: klimatisierte Nutzfläche. * Absolute Lastspitze aus der Jahresdatei ** Lastspitze aus den Jahreslastkurven ohne die 10 höchsten Laststunden. Im Extremfall sinkt

die Heizleistung am Standort Palermo, Anwendung A, dabei bereits von 6.8 kW auf 0.4 kW ab.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 141

Anhang A5.4 – Konfigurationen (solare Kühlung in Gebäuden)

Kollektor (FK, VRK)

Wärmeübertrager

Heißwasserspeicher

Trinkwasserspeicher

Gaskessel

AKM (Ab; Ad) mit Nasskühlturm

Kaltwasserpuffer

KKM, Kaltwasser oder Split, mit Luftkühler

KKM, Kaltwasser, mit Nasskühlturm

=~~ PV, netzgekoppeltLuft-Wärmepumpe

Flächenheizung

Umluftheizung, fan coils

Umluftkühlung, fan coils

Flächenkühlung

Fraunhofer ISE

Komponentensymbole in den Konfigurationsbildern

Tmax 35°C

QBWW

QHeizen

QKühlen

Tmax 40°C

Trinkwasser-puffer

Heißwasser-speicher

Kaltwasser-puffer

Hydraulische Schaltstation

Stromaufnahme: Außerhalb Bilanzgrenze

Fraunhofer ISE

Beispiel: Standard-Konfiguration der solarthermischen Kühlung mit einstufiger TKM in Anwendungen mit Kühl-, Heiz- und Brauchwarmwasserbedarf. In der hydraulischen Schaltstation wird der Rücklauf aus dem Heizkreis und Brauchwarmwasserkreis entweder direkt wieder zum Gaskessel geführt oder – je nach Speichertemperatur – in dem Heißwasserspeicher zugeführt. Bilanziert werden alle Wärmeflüsse und der Elektroenergieverbrauch aller Komponenten mit Ausnahme des raumseitigen Umluftkühlers (raumseitige Kälteverteilung).


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 142

QBWW

QKühlen


Kaltwasser-puffer

TKM2-stufig

KonzentrierenderKollektor

TSoll 8°C

Tmax 40°C

Trinkwasser-puffer

Tmax 60°C

Stromaufnahme: Außerhalb Bilanzgrenze

Fraunhofer ISE

Beispiel: Solarthermische Konfiguration mit 2-stufiger TKM und mit linear-fokussierendem Kollektor. Diese Konfiguration wird an den Standorten Antalya und Bechar für die Anwendungen B+ und C+ unter-sucht (ohne Heizbedarf).

QBWW

QHeizen

QKühlen

Tmax 40°C

Tmax 35°C

Trinkwasser-puffer

Tmax 60°C

ENetz

=~~

Stromaufnahme: Außerhalb Bilanzgrenze Fraunhofer ISE

Beispiel: Referenzsystem in Anwendungen mit Kühl-, Heiz- und Brauchwarmwasserbedarf mit zusätzli-chem PV-Generator in netzgekoppelter Technik (Variante Referenz+PV). Spezielle Maßnahmen zur Erhö-hung der Eigennutzung der solar erzeugten Elektroenergie sind nicht vorgesehen. Die Variante Referenz ist baugleich, aber ohne PV-Systemanteil. Bilanziert werden alle Wärmeflüsse und der Elektroenergie-verbrauch aller Komponenten mit Ausnahme der Verteilungspumpe Heizwasser und des raumseitigen Umluftkühlers (raumseitige Kälteverteilung).


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 143

Anhang A5.5 – Virtuelle Messstellen (solare Kühlung in Gebäuden)

Q_HL

Q_HsTdh

Q_DHW

Tmax 35°C

QBWW

QHeizen

QKühlen

Tmax 40°C

Trinkwasser-puffer


Q_ShHs

Q_HhDs

Q_FuBo

Q_CsCl

Q_SunSc

Q_CL

Q_BoHh

Q_TdlCs

Q_HsAm

Q_CcCl


E_HhHl_p

Tmax 35°C

E_Tdcp

E_Hrp

E_Cc_C

E_Cw_p

QBWW

QHeizen

QKühlen

Tmax 40°C

Trinkwasser-puffer


Kaltwasser-puffer

E_ScHs_C

E_ScHs_H

E_BoHh

E_HhDs_p


Fraunhofer ISE

Erfassung der Wärmemengen (oben) und der Elektrizitätsaufnahme (unten) in der Simulation am Beispiel einer Konfiguration ST.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 144

Anhang A5.6 – Komponentenbeschreibung

Simulationsprogramm

Zur Modellierung der Systemvarianten als auch für die Simulationsberechnungen wurde das Programm

TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation program) eingesetzt, welches am ‚Solar Energy Laboratory‘ der

Universität von Wisconsin-Madison (USA) entwickelt wurde. TRNSYS ist ein dynamisches Simulations-

programm mit einer modularen Struktur, welches zur Modellierung und Simulation von Gebäuden als

auch von technischen Systemen eingesetzt werden kann. Dabei ist es möglich, das Gebäude und das Sys-

tem in einer Simulationsrechnung zu koppeln, was jedoch mit einem hohen Arbeitsaufwand verbunden

ist. Deshalb ist eine gängige Methode das Gebäude separat zu simulieren, um Zeitreihen der Gebäudelast

zu erstellen. Diese Gebäudelastreihen können als externe Daten wiederum ins Systemmodell eingelesen

werden, um im nächsten Schritt eine Systemsimulation durchzuführen. Bei dieser entkoppelten Simula-

tion liegt der Nachteil darin, dass es keine Rückkopplung zwischen System und Gebäude gibt. Eine Analy-

se des Gebäudeverhaltens ist somit nicht möglich. Es muss außerdem gewährleistet werden, dass die Ge-

bäudelast stets durch das System gedeckt wird.

Die Programmbibliothek von TRNSYS verfügt über zahlreiche Komponentenmodelle (Types) von u.a.

hydraulischen und solarthermischen Systemen sowie von der Klimatechnik. Weitere Modelle werden

von anderen Nutzern entwickelt oder kommerziell in Zusatzbibliotheken angeboten, wodurch sich die

Standardbibliothek erweitern lässt. Die Modellierungstiefe der Types in TRNSYS ist unterschiedlich: ne-

ben physikalisch abgeleiteten Modellen kommen insbesondere auch bei klimatechnischen Maschinen-

modellen, häufig kennlinienbasierte Modelle zum Einsatz, in denen das Maschinenverhalten durch Inter-

polation zwischen Stützpunkten aus Datenblattangaben (oder Messwerten) berechnet wird. Diese Mo-

delle sind häufig auf Grund der Datenverfügbarkeit einfacher zu handhaben als physikalisch abgeleitete

Modelle. Sie haben aber den Nachteil, dass das dynamische Kurzzeitverhalten wegen fehlender kapaziti-

ver Effekte nicht abgebildet wird. Dennoch werden aus Aufwandsgründen auch solche Modelle in

EVASOLK eingesetzt.

Im Folgenden werden die wichtigsten Komponentenmodelle kurz beschrieben, die im Rahmen der Simu-

lationsrechnungen für den Bereich der Gebäudeklimatisierung zum Einsatz kamen.

1. Komponentenmodelle der solarthermischen Systeme

1.1. Sorptionskältemaschine

Für die Sorptionskältemaschinen wurde im Rahmen von EVASOLK ein allgemeines, generisches Modell

erstellt. Die Berechnungen innerhalb des Modells stützen sich auf Angaben von Produkt-Datenblättern.

Dafür wurden Daten des jeweiligen Maschinentyps von verschiedenen Herstellern herangezogen. Das

Sorptionskältemaschinen-Modell bleibt somit allgemein und ist Hersteller oder Produkt unabhängig. Es

wird zwischen folgenden Maschinentypen und -größen unterschieden, die im Modell als Betriebsmodi

hinterlegt sind:

1. Wasser/Lithiumbromid-Absorptionskältetechnik

2. Ammoniak/Wasser-Absorptionskältetechnik

3. Adsorptionskältetechnik

4. Optimierte Wasser/Lithiumbromid-Absorptionskältetechnik

5. nicht aktiv

6. Zweistufige Wasser/Lithiumbromid-Absorptionskältetechnik > 50 kW


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 145

Durch das Modell kann der Maschinenbetrieb bei stationären Bedingungen simuliert werden. Auf- und

Abwärmphasen oder thermische Trägheit werden nur durch Rohrleitungssegmente berücksichtigt.

Im Modell werden zwei unterschiedliche Ansätze verwendet. Für alle Maschinen mit Wasser/Lithium-

bromid-Absorptionskältetechnik (einstufig, einstufig optimiert und zweistufig) wird eine charakteristi-

sche Gleichung eingesetzt, die auf der totalen treibenden Temperaturdifferenz (dT_total) basiert. Die

notwendigen Daten sind in ausreichendem Maße vorhanden, sodass sich das Verhalten dieses Absorber-

typs mit guter Genauigkeit nach diesem Ansatz abbilden lässt.

Zum anderen wird für alle anderen Maschinentypen (und -größen) ein Ansatz verwendet, der das ther-

mische Wärmeverhältnis (EERTKM) und das Verhältnis von Kälteleistung zu Nennkälteleistung als Funkti-

on eines zusammenfassenden Temperaturwerts, der sogenannten reduzierten Temperatur (T_red), dar-

stellt. Diese Ansätze sind im Trnsys-Type 915 hinterlegt und werden je nach ausgewähltem Betriebsmo-

dus entsprechend eingesetzt.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

dT_total [K]

Q_NT/Q_NT_nom Q_HT/Q_NT_nom

Generische Kennlinien nach dem dT-total-Ansatz. Die roten Punkte stellen die Antriebsleistung relativ zur

Nennkälteleistung (Q_HT/Q_NT_nom) dar; die blauen die Kälteleistung relativ zur Nennkälteleistung

(Q_NT/Q_NT_nom). Beides ist aufgetragen über der treibenden totalen Temperaturdifferenz (dT_total). Die

Punkte repräsentieren Datenblattwerte verschiedener Hersteller von Absorptionsaggregaten < 50 kW.

1.2. Pufferspeicher

Für den Warmwasserspeicher wurde das detaillierte Speichermodell Type 340 gewählt, das viele Mög-

lichkeiten für die Konfiguration des Speichers bietet. Über die Parameter hat der Nutzer eine Vielzahl an

Einstellungsmöglichkeiten. Neben den üblichen Angaben zu Dimensionierung (Höhe, Volumen), Wärme-

verlustraten und Eigenschaften des Speicherfluids (spezifische Wärmekapazität, Dichte) können folgende

Optionen gewählt werden:

- 4 interne Wärmetauscher

- 10 ‚double ports‘, d.h. 20 direkte Anschlüsse an den Speicher in frei wählbarer Höhe (jeweils 10 Zu-

und Abgänge ohne internen Wärmetauscher)

- Schichtladung für jeden einzelnen ‚double port‘ wählbar

- Temperatursensoren an 5 frei wählbaren Stellen im Speicher

- Interner elektrischer Heizstab als Hilfswärmequelle

© Fraunhofer ISE


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 146

Der Speicher wird über Knoten (vollkommen durchmischte und gleich große Volumensegmente) darge-

stellt. Insgesamt ist eine Anzahl von 200 Knoten möglich, jedoch geht eine hohe Knotenzahl mit einer er-

höhten Simulationszeit einher.

1.3. Solarkollektoren

1.3.1. Stationäre Kollektoren

Die Modelle von nicht konzentrierenden, stationären Kollektoren stammen aus der Standardbibliothek

von Trnsys. Der Wirkungsgrad wird in diesen Modellen mittels eines linear-quadratischen Ansatzes und

eines winkelabhängigen Korrekturfaktors (Incidence Angle Modifier, IAM) berechnet. Für den Flachkol-

lektor wurde der Type 1c und für den Vakuumröhrenkollektor der Type 71 eingesetzt. Die beiden Kollek-

tortypen stellen allgemeine Modelle dar, dementsprechend wurden generische Modellparameter und

IAM-Werte eingesetzt.

Im Folgenden werden die eingesetzten Modellparameter aufgeführt, die näherungsweise mittlere Effizi-

enzkurven aus Datenblättern unterschiedlicher Kollektoranbieter darstellen:

a) Generischer Flachkollektor (FK_gen) guter Qualität für kleine Anlagen bis ca. 50 m² Kollektorfläche;

Antireflex-Beschichtung

b) Generischer Flachkollektor (FK_genXL) für große Anlagen mit verbesserter Isolierung und zusätzli-

cher Konvektionssperre; Antireflex-Beschichtung

c) Generischer Vakuumröhren-Kollektor (VRK_gen), bspw. Isolierröhre, U-Absorber

Koeffizienten FK_gen FK_genXL VRK_gen

c0 0.81 0.80 0.67 [ - ]

c1 3.30 2.30 0.80 [ Wm-2K-1 ]

c2 0.018 0.013 0.005 [ Wm-2K-2 ]

Die Abbildung unten zeigt Wirkungsgrade von Solarkollektoren: FK1 bis FK5 für fünf handelsübliche

Flachkollektoren und VRK6 bis VRK9 für vier Vakuumröhrenkollektoren. Die verstärkt dargestellten Li-

nien (FK_gen, FK_genXL, VRK_gen) repräsentieren die Effizienzkurven der generischen Kollektormodelle,

die in der Simulationsstudie eingesetzt wurden.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

40 50 60 70 80 90 100

Wir

ku

ng

sgra

d [

-]

TFluid_mittel [ °C ]; TUmgebung = 25°C

FK 1

FK 2

FK 3

FK 4

FK 5

VRK 6

VRK 7

VRK 8

VRK 9

FK_gen

FK_genXL

VRK_gen

Berechnete Wirkungsgrade verschiedener Kollektoren aufgetragen über der mittleren Kollektorfluidtempe-

ratur bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C und einer Einstrahlung von 800 W/m² (senkrecht zur Kol-

lektorfläche, IAM daher = 1.0).


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 147

1.3.2. linear konzentrierender Solarkollektor

Zur Modellierung eines linear konzentrierenden Kollektors wurde Type 71 verwendet. Dieser ermöglicht

das Einlesen von IAM-Werten für Winkel in transversaler und longitudinaler Ebene. Die eingesetzten

Winkelkorrekturfaktoren stellen generische Werte dar und wurden aus Datenblatt-angaben und ISE-

interner Raytracing-Ergebnisse von insgesamt vier linear konzentrierenden Kollektoren gemittelt.

Im Folgenden werden die Parameter aufgeführt, die zur Berechnung des Wirkungsgrades erforderlich

sind. Diese stammen aus einem Produktdatenblatt eines kommerziell verfügbaren Fresnel-Kollektors.

Koeffizienten Linear konzentrierender

Kollektor

c0 0.63 [ - ]

c1 0.5 [ Wm-2K-1 ]

c2 0.00043 [ Wm-2K-2 ]

2. Komponentenmodelle der Referenzsysteme

2.1. Kompressionskältemaschine

Beim Kompressionskältemaschinenmodell wird je nach betrachteter Nennkälteleistung zwischen zwei

Kältemaschinentypen unterschieden: im Leistungsbereich < 50 kW Nennkälteleistung kommt ein Multi-

Split-Gerätemodell (Direktverdampfung des Kältemittels), im Bereich darüber ein Kaltwassersatzmodell

(Raumkühlung über Kaltwasserkreislauf) zum Einsatz. In beiden Fällen gibt das Modell den elektrischen

Stromaufwand für die Kältebereitstellung (inklusive Rückkühlung) aus.

Das Modell des Splitsystems basiert auf Teillastkurven, die anhand von Messdaten einer installierten An-

lage (VRF-System, innerhalb des Arbeitspakets 1 vermessen) abgeleitet wurden. Die Messdaten zeigen,

dass die Effizienz des Systems von der Außentemperatur sowie von der bereitgestellten Kälteleistung

abhängt (siehe Abbildung unten). Für drei Kälteleistungsbereiche wurde jeweils eine Teillastkurve be-

stimmt, zwischen denen das Modell je nach angeforderter Kälteleistung interpolieren kann. Der effektive

EER wird anhand des Produkts aus nominellem EER und Teillastfaktor berechnet. Für Wohngebäude

sowie für kleine Büros/Hotels wird in Anlehnung an die Vornorm DIN V 18599-7 (2007) ein Nenn-EER

von 2.9 angenommen, bei den größeren Büro- und Hotelgebäuden 3.0.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 148

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

10 15 20 25 30 35

EER

Außentemperatur [°C]

DIN V 18599-7

Q0 = 0..5 kW

Q0 = 5..10 kW

Q0 = 10..15 kW

Q0 = 15..40 kW

© Fraunhofer ISE

Mittlere Teillast-Effizienzkurven als Funktion der Außentemperatur eines VRF-Außengeräts mit 40 kW

Nennleistung. Berechnet aus Minuten-Mittelwerten des Monitoringprogramms Referenztechnik in

EVASOLK. Zusätzlich dargestellt: Kennlinie für frequenzgeregelte Multisplitgeräte gemäß DIN V 18599-7

(orangene Linie). Datenquelle: ILK Dresden.

Beim Modell des Kaltwassersatzes wird von einem luftgekühlten Aggregat ausgegangen, da bei diesen

Kältemaschinen über einen großen Leistungsbereich standardmäßig ein Luftkühler zur Rückkühlung

(trockene Rückkühlung) eingesetzt wird. In der DIN V 18599-7 (2007) wird ein Kennwertverfahren für

luftgekühlte Kaltwassersätze bis 1500 kW Nennkälteleistung eingesetzt. Zur Modellierung von Kaltwas-

sersätzen im Rahmen der Vergleichsstudien von EVASOLK werden Angaben aus der oben genannten

Norm herangezogen. Dabei werden für den Gerätetyp luftgekühlte Scroll- und Schraubenverdichter (Käl-

temittel R134a) Teillastfaktoren in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur vorgegeben. Mit diesen Wer-

ten aus der Norm wird eine Teillastfunktion gebildet, die wiederum mit dem nominellen EER (EERnom)

multipliziert wird. Für den oben genannten Gerätetyp wird bei einer Außenlufttemperatur von 32 °C und

einer Kaltwasser-Austrittstemperatur von 6 °C ein EERnom von 2.8 angenommen und entsprechend 3.5

bei einer Kaltwassertemperatur von 14 °C. Für andere Kaltwasserbereiche wird eine Korrektur mit Hilfe

einer linearen Funktion vorgenommen. Die Norm unterscheidet zwischen Teillastfaktoren je nach der Art

wie die Kältemaschinen geregelt werden. Dabei wird zwischen taktendem Maschinenbetrieb (ein/aus)

und Frequenzregelung unterschieden. Der Vergleich mit zwei Anlagen aus dem Anlagenmonitoring in AP

1 ergab, dass die Werte für taktenden Betrieb gut mit den gemessenen Werten übereinstimmen (s. Ab-

bildung unten).


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 149

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-5 0 5 10 15 20 25

EER

(o

hn

e V

ert

eilp

um

pe

n)

Differenz aus Außen- und Kaltwasseraustrittstemperatur [K]

Messdaten Anlage 1

Messdaten Anlage 2

Modell (R134a-A-8°C)

Modell (R134a-A-15°C)

© Fraunhofer ISE

Vergleich des Modells bei zwei unterschiedlichen Kaltwassertemperaturen mit Messergebnissen von zwei

Kaltwassersätzen aus dem Anlagenmonitoring inEVASOLK. Datenquelle: ZAE Bayern.

Die oben beschriebenen Modellansätze wurden im Trnsys-Type 916 implementiert. In diesem Type kann

man über Parameter den Gerätetyp (Klimagerät, Kaltwassersatz) und die Art der Maschinenregelung

(taktend, frequenzgeregelt) auswählen.

2.2. Gaskessel

Mit dem Type 869 liegt ein detailliertes Modell für ein Heizkessel mit konventioneller Brennertechnik

vor, bei dem die Wärme, die durch die Verbrennung eines Brennstoffs frei wird, über ein Luft-Wasser-

Wärmetauscher auf ein Fluid übertragen wird. Dieser Type basiert auf physikalischen Gleichungen und

wurde am Institut für Solartechnik SPF, Hochschule für Technik Rapperswil, Schweiz, entwickelt. Er be-

rücksichtigt u.a. Bereitschaftsverluste, Teillastbetrieb und Betriebshäufigkeiten. Als vordefinierte Brenn-

stoffe stehen dem Nutzer neben Gas auch Heizöl und Biomasse zur Auswahl. Der Type 869 wurde für die

Vergleichsstudien in EVASOLK zur Modellierung eines Gaskessels mit Brennwerttechnik eingesetzt.

Dieser Type berechnet im ersten Schritt die Abgasprodukte sowie Temperatur und Massenstrom vom

Abgas, das nach der Verbrennung vom Brennstoff-Luft-Gemisch entsteht. In einem zweiten Schritt wird

die Wärmeübertragung vom Abgas auf das (Heizungsvorlauf-)Wasser in einem Luft-Wasser-Wärme-

tauscher ermittelt. Hierbei kann zwischen einfachen oder detaillierten Ansätzen gewählt werden. Die de-

taillierteren Ansätze dienen eher zur Modellierung eines bestimmten Heizkessels, wobei die notwendi-

gen teils sehr spezifischen Parameter nicht vollständig in Produktdatenblättern zu finden sind, sondern

teilweise erst durch eine Kesselvermessung bestimmt werden können. Da im Rahmen von EVASOLK kein

bestimmtes Gerät modelliert werden sollte, wurde der einfache Ansatz für die Simulationsrechnungen

gewählt. Bei allen Ansätzen kann optional der Brennwertmodus gewählt werden. Im letzten Schritt wird

die Energiebilanz für die thermische Masse des Kessels (Ein-Knoten-Modell) aufgestellt, worüber die

Wärmeverluste an die Umgebung und die Temperatur des Wassers, das aus dem Kessel austritt, be-

stimmt werden.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 150

Generelles Konzept des Kesselmodells, das im TRNSYS-Type 869 eingesetzt wird (Quelle: ‚Type 869 Boiler

Model for TRNSYS, Michael Haller‘)

Die Gleichungen, die zur Parametrisierung des Modells eingesetzt werden, haben Angaben aus Produkt-

datenblättern mehrerer Gasbrennwertgeräte mit unterschiedlicher Nennheizleistung (bis zu 50 kW) zur

Grundlage. Beispielsweise sind für die Parameter ‚Nennmassenstrom Heizungswasser‘ oder ‚Maximale

elektrische Leistungsaufnahme‘ Gleichungen hinterlegt, die abhängig von der festgelegten Nennwärme-

leistung des Kessels sind. Die Parameter, die sich auf die elektrische Leistungsaufnahme des Kessels be-

ziehen, beruhen sich auf Angaben von Gaskesseln mit Gebläse aber ohne eine Pumpe für das Heizungs-

wasser. Der Stromaufwand für die Heizungspumpe wird separat simuliert.

2.3. Wärmepumpe

Im Rahmen von EVASOLK wurde in Zusammenarbeit mit dem Karlsruhe Institut für Technologie (KIT)

ein Modell für elektrisch betriebene Wärmepumpen erstellt, das Angaben zu Leistungszahlen (Coefficient

of Performance, COP) und Korrekturfaktoren aus der DIN 18599-5 (Stand: 2011-12) zur Grundlage hat.

Anhand eines Parameters kann eine von drei Wärmepumpen-Arten ausgewählt werden: a) Luft-Wasser,

b) Sole-Wasser und c) Wasser-Wasser. In EVASOLK wurden Luft-Wasser-Wärmepumpen als Heizsystem

und zur Brauchwarmwasserbereitung betrachtet. Entsprechend wurde das Modell für diese Art der

Wärmepumpe weiterentwickelt und auf den Stand von 2011-12 der o.g. Norm gebracht. (Für die anderen

beiden Wärmepumpen-Arten sind Angaben aus der Vornorm 18599-5, Stand: 2007-02 hinterlegt.) Da die

Angaben aus der Norm in Form von Parametern in den Type eingefügt werden, können mögliche Ände-

rungen der Werte, bspw. durch Novellierung der Norm, leicht durch manuelle Eingabe im Type angepasst

werden. Da die resultierenden Jahresarbeitszahlen beträchtliche Unterschiede zu den Ergebnissen des

Projekts WP-Effizienz [Miara, 2011] aufwiesen, wurden die Norm-COPs nachträglich durch eine Parame-

teroptimisierung so angepasst, dass die Simulationsergebnisse besser mit den Messergebnissen überein-

stimmten.

Die COP-Werte werden in der Norm in Abhängigkeit der entsprechenden Wärmequellentemperatur (z.B.

Außenlufttemperatur) und der Vorlauftemperatur (lastseitig) aufgeführt. Diese Werte dienen im Modell

als Stützpunkte für die Bestimmung des COP, zwischen denen linear interpoliert wird. Für die Fälle, bei

denen die Quellentemperatur außerhalb dieser Stützpunkte liegt, ist es möglich, Werte mit Hilfe von Ext-

rapolation zu bestimmen. Anhand von Parametern kann der Nutzer den Verlauf der Extrapolationskurve

selbst festlegen, d.h. entweder einen linearen oder einen logarithmischen Verlauf. Weiterhin kann an-

hand eines Parameters festgelegt werden, ob die logarithmische Kurve einem flachen oder steileren Ver-

lauf folgt.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 151

Zusätzlich erlaubt das Modell Korrekturen der COP-Werte mit Hilfe der Angaben aus der Norm vorzu-

nehmen. Je nach Teillastbetrieb der Wärmepumpe und betrachtetem Heizungssystem (Konvektoren und

Flächenheizung) kommen unterschiedliche Korrekturfaktoren zum Tragen. Um die Korrekturfaktoren zu

nutzen, ist entsprechend die Angabe der Maximal- bzw. der Nennleistung der Wärmepumpe erforderlich.

Mit dem Modell kann unter anderem die elektrische Stromaufnahme der Wärmepumpe basierend auf

dem COP und der bereitgestellten Wärme berechnet werden.

2.4. Photovoltaik

Zur Bestimmung des Wirkungsgrades von PV-Modulen, die im Punkt maximaler Leistung (MPP) betrie-

ben werden, wird in EVASOLK ein Modell von W. Heydenreich14 eingesetzt. Das Modell benötigt nach Be-

rechnung der Modellparameter für einen gewählten Modultyp in der Anwendung die aktuelle Einstrah-

lung auf die Modulebene und die Modultemperatur.

Im Rechenmodell wird zunächst der Modulwirkungsgrad für die Modultemperatur von 25 °C bestimmt.

Für Modultemperaturen die davon abweichen wird in einem weiteren Schritt der Wirkungsgrad propor-

tional zur Temperaturdifferenz (TModul – 25 °C) berechnet. Die Modultemperatur wird näherungsweise

über eine Funktion in Abhängigkeit von Umgebungstemperatur und Einstrahlungsleistung auf Modul-

ebene ohne Berücksichtigung der lokalen Windverhältnisse bestimmt. In die Berechnung der PV-

Generatorleistung fließt der Modul-Nennwirkungsgrad mit ein. Dafür wird ein repräsentativer Wert von

14 % Nennwirkungsgrad für Module mit polykristallinen Siliziumzellen eingesetzt. Zusätzlich werden

Gesamtverluste in Höhe von 2 % der berechneten Generatorleistung als Folge der Verschaltung, des

MPP-Trackings und der Leitungswiderstände angenommen.

Weiterhin ist im Modell eine Funktion zur Bestimmung der Wirkungsgradkennlinie hinterlegt. Die Funk-

tion ist abhängig vom Prozentwert der aktuellen PV-Leistung bezogen auf die Gleichstrom-Nennleistung

des Wechselrichters. Für das beschriebene Modell wurde im Rahmen von EVASOLK das Trnsys-Type 917

erstellt.

14 W. Heydenreich et al.: Describing the world with three parameters: A new approach to PV module power modelling. Tagungsbeitrag zur 23rd European PVSEC, Valencia, Spain, 2008


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 152

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

0 200 400 600 800 1000

eta

/ et

a no

min

al

Einstrahlung in Modulebene [ W/m² ]

25°C

35°C

50°C

© Fraunhofer ISE

Normierter Wirkungsgradverlauf eines PV-Moduls für drei Modultemperaturen


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 153

Anhang A5.7 – Energiepreise, Wandlungsfaktoren

Energiepreise (einschl. Mehrwertsteuer)

Standort

Strom Haushalte

(Anwendung A)

[ € / kWh ]

Strom Gewerbe

(Anwendung B, C)

[ € / kWh ]

Gas Haushalte

(Anwendung A)

[ € / kWh ]

Gas Gewerbe

(Anwendung B, C)

[ € / kWh ]

Deutschland 0.253 0.149 0.059 0.055

Frankreich 0.138 0.102 0.058 0.044

Spanien 0.195 0.132 0.054 0.034

Italien 0.201 0.183 0.069 0.037

Griechenland 0.125 0.124 0.080 0.074

Türkei 0.122 0.093 0.030 0.026

Algerien 0.048 0.048 0.060 0.055

Wandlungsfaktoren

Standort PE-Faktor Strom

[ kWhPE / kWhel ]

PE-Faktor Gas *

[ kWhPE / kWhth ]

CO2-Faktor Strom

[ kgCO2 / kWhel ]

CO2-Faktor Gas *

[ kgCO2 / kWhth ]

Deutschland 2.62 1.1 0.616 0.243

Frankreich 2.96 1.1 0.093 0.243

Spanien 2.42 1.1 0.360 0.243

Italien 2.19 1.1 0.454 0.243

Griechenland 2.57 1.1 0.785 0.243

Türkei 2.53 1.1 0.590 0.243

Algerien 2.52 1.1 0.727 0.243

* kWhth: thermische Nutzenergie vom Gaskessel / Wirkungsgrad

Quellen Energiepreise:

BMWI-Energiedaten 2012; Eurostat 2010; Eurostat 2011

Quellen Wandlungsfaktoren:

Überwiegend Probas, Zeitbezug 2010; sonstige


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 154

Anhang A5.8 – Solarthermische Kühlung in Kältenetzen

Die Gebäudeklimatisierung und gewerbliche Kühlung erfolgt in einigen Städten über Fernkältenetze, die

installierte Kälteleistungen zwischen 1 MW und > 200 MW aufweisen15. Allein in Paris und Stockholm

beträgt die installierte Kälteleistung jeweils > 200 MW; dies ist mehr als bis 2004 in ganz Deutschland an

Fernkältenetzleisung installiert war16. Mit wenigen Ausnahmen (Italien, Spanien) liegt der Schwerpunkt

der Fernkälteanwendungen in mittel- und nordeuropäischen Regionen. Vorteile dieses technischen An-

satzes sind der zentrale Aufbau von Kälteerzeugern im großen Leistungsbereich und damit verbundene

positive Skaleneffekte in den Bereitstellungskosten der Kälte. Durch mehrere Kälteerzeuger im Netz

kann auch ein optimierter Betrieb bei Teilauslastung erfolgen. Außerdem lassen sich im großen Leis-

tungsmaßstab effiziente Techniken - sowohl auf der Kompressorseite (z.B. Turboverdichter) als auch in

der Rückkühlung – eher wirtschaftlich aufbauen.

In einigen der Kältenetze sind neben elektrisch betriebener Kompressionskältetechnik auch Absorpti-

onskältemaschinen im Leistungsbereich meistens > 1 MW (1-stufig und 2-stufig) installiert, deren An-

triebswärme über Wärmenetze erfolgt. Dabei wird neben Überschusswärme aus Heiznetzen auch Ab-

wärme aus z.B. Müllverbrennung genutzt. In weiteren Konzepten wird auch der Aufbau großer Kaltwas-

serspeicher zur Pufferung von Lastspitzen untersucht17.

Die Erweiterung einer kältetechnischen Zentrale im Kältenetz mit solarthermisch angetriebener Kälte-

technik ist technisch machbar, um z.B. Kälteleistungsspitzen tagsüber aufzufangen. Allerdings lässt sich

aus den Ergebnissen der Vergleichsstudie Solare Kühlung in Gebäuden leicht erkennen, dass eine aus-

schließliche Substitution von Elektroenergie (reiner Kältenetzbetrieb) mittels einstufiger, solarthermisch

betriebener Kältetechnik wirtschaftlich ebenso problematisch sein wird wie in der Gebäudeanwendung

B, B+; dies wird sich auch trotz positiver Skaleneffekte (die auch in der Referenz auftreten) nicht grund-

legend verändern. Diese Anwendung ist schematisch im Beispiel I gezeigt. Hier sind Entlastungen des

Stromnetzes mit Aussicht auf Wirtschaftlichkeit eher durch photovoltaische Lösungen interessant. Eine

Ausnahme kann in sonnenreichen Regionen der Einsatz mehrstufiger Absorptionstechnik mit konzent-

rierender Kollektortechnik darstellen; hier sind Lösungen in der Nähe des wirtschaftlichen Bereichs

denkbar. Allerdings bilden diese Regionen bisher nicht den Schwerpunkt der Anwendungen von Fernkäl-

tenetzen.

Eine andere Systemvariante stellt der zusätzliche Aufbau eines Kollektorfeldes in einem Fernkältenetz

dar, in dem bereits eine thermisch angetriebene Kältetechnik existiert, die z.B. durch BHKW-Abwärme

betrieben wird. Hier sind unterschiedliche Anwendungen möglich: Nutzung der Kraft-Wärmekopplung

für den ausschließlichen Betrieb einer Absorptionskälteanlage (Beispiel II) und Kopplung der Wärmeer-

zeuger mit thermisch angetriebener Kältetechnik und mit einem Wärmenetz (Beispiel III).

15 Eine exemplarischen Überblick über 13 Kältenetze in Europa gibt z.B. die Präsentation Fernkälte in Europa

von Wien Energie; http://www.gaswaerme.at/de/pdf/10-1/wallisch.pdf, Juni 2013

16 Im BINE-Informationspaket Kühlen und Klimatisieren mit Wärme (ISBN 978-3-934595-81-1, 1. Auflage

2009, FIZ Karlsruhe) ist der Stand der Fernkälte in Europa, 2004, dokumentiert. Im Vergleich zur Quelle oben (Fernkälte in Europa) ist der starke Ausbau der Fernkälte innerhalb weniger 10 Jahre zu erkennen

17 BINE-Projektinfo 12/08: Kältespeicher optimiert Fernkältesystem. Bericht zum Fernkältesystem der Stadt-

werke Chemnitz. BINE Informationsdienst, FIZ Karlsruhe. 2008


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 155

Für den Betrieb von Anlagen mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) ohne solarthermische Untertüt-

zung exisitieren enge Randbedingungen für die Wirtschaftlichkeit, die sich aus der Effizienz der Wärme-

/Kälteerzeuger und aus den Lastanforderungen im Wärme- und Kältenetz ergeben. Im kleinen bis mittle-

ren Leistungsbereich wurden KWKK-Konzepte und -Systemtechniken beispielsweise im Rahmen des Po-

lySMART-Projektes untersucht18.

KKM KKM TKM

PKälte PKKMPTKM

t

Kältenetz

Stromnetz

Fraunhofer ISE

Beispiel I: Schematische Darstellung einer solarthermisch unterstützten Kältenetzversorgung ohne weiteren Wärmeverbund. Diese Systemvariante wird nach den Ergebnissen der Vergleichsstudie (solare Kühlung in Gebäuden) im Allgemeinen die Wirtschaftlichkeit der Kälteerzeugung nicht erhöhen.

KKM KKM TKM

BHKW

Kältenetz

Stromnetz

Fraunhofer ISE

Beispiel II: Schematische Darstellung einer solarthermisch unterstützten Kältenetzversorgung zusammen mit Kraft-Wärme-Kopplung, aber ohne weiteren Wärmeverbund. Auch für diese Kombination sind vermut-lich nur unter speziellen Randbedingungen wirtschaftliche Vorteile gegeben.

Vorausgesetzt, dass in Beispiel II eine wirtschaftlich günstige Betriebsvariante gefunden wurde, ist der

zusätzliche Aufbau eines Kollektorfeldes nur dann sinnvoll, wenn etwa durch hohe tägliche Lastspitzen

im Netz eine zu deren Deckung erforderliche Erweiterung des BHKW oder weiterer KKM durch zu gerin-

ge Vollaststunden die Wirtschaftlichkeit wieder herabsetzt. Sind diese Ranbedingungen der kurzzeitigen

Versorgungsengpässe nicht gegeben, verschlechtert gegebenenfalls der Aufbau eines Kollektors wieder

die Wirtschaftlichkeit, da die Betriebsstundenzahl des BHKW herabgesetzt wird oder die solare Wärme

nicht ausreichend eingesetzt wird. In jedem Fall sind dazu fallspezifische Untersuchungen notwendig.

Interessanter sind solarthermische Anwendungen im Verbund mit Wärme- und Kältenetzen (Bei-

spiel III). Das Kollektorfeld kann optimal ausgenutzt werden durch Wärmelieferung je nach Bedarf in

18 PolySMART – Polygeneration with advanced small and medium scale thermally driven air-conditioning and

refrigeration technology. Projekt gefördert im 6. Rahmenprogramm der EU, 2006-2010. http://www.polysmart.org


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 156

beide Netze. Dies entspricht etwa den Anwendungen C, C+ in der Vergleichsstudie. Eine weitere Effizienz-

steigerung kann auch durch eine Kaskadenschaltung von TKM und KKM erreicht werden, wenn die Tem-

peraturspreizung im Kaltwassernetz ausreichend hoch ist: die Absorptionskältetechnik bewirkt eine

Vorkühlung der Kaltwassertemperatur und stellt Kaltwasser nicht zwangsläufig auf der Solltemperatur

bereit; dadurch kann deren Betrieb effizienter erfolgen.

Wegen der sehr spezifischen Randbedingungen der solarthermischen Kühlung in Kältenetzen wurden

diese Anwendungen nicht im Rahmen der Simulationsstudie in EVASOLK rechnerisch analysiert.

KKM KKM

TKM

BHKWWeitere

Wärmeerzeuger

Kältenetz

Wärmenetz

Stromnetz

Fraunhofer ISE

Beispiel III: Schematische Darstellung einer solarthermisch unterstützten Kältenetzversorgung im Verbund mit einem Wärmenetz und weiteren Wärmeerzeugern. In dieser Anwendung sind eine optimale Ausnutzung des Kollektorfeldes erreichbar und Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen Betrieb eher gegeben als in den anderen Anwendungen. Die hier gezeigte serielle Verschaltung zwischen thermisch betriebener Kühlung und den konventionellen Aggregaten kann zu einer Effizienzsteigerung der solaren Kühlung führen, da dieTKM nicht die Solltemperatur im Kaltwasserkreis erreichen muss. Die nachgeschaltete KKM muss aller-dings sorgfältig angepasst sein, um einen nachteiligen Teillastbetrieb zu vermeiden.

Documents

0325966ABC EVASOLK-Schlussbericht Oeffentlich 13August2013