Beiträge zur Betriebsoptimierung solarthermisch betriebener Adsorptionskälteanlagen

Dissertation / Doktorarbeit von Hendrik Glaser

Problemstellung:

Das wissenschaftliche Ziel dieser Arbeit ist - neben der Erstellung quantitativer Aussagen zur Energiebilanz der Solarenergienutzung und qualitativer Aussagen zur solarthermischen Adsorptionskältetechnik - die Ableitung allgemeingültiger Richtlinien zur regelungstechnischen Auslegung des Gesamtsystems und der Systemeinbindung solarthermisch betriebener Adsorptionskälteanlagen. Hierzu gehört die Ausarbeitung einer Regelstrategie zur energie-effizienten Betriebsweise der gesamten Anlagentechnik. Dabei steht die optimale Ausnutzung des solaren Angebots im Vordergrund.

Besondere Berücksichtigung findet die gemeinsame Betrachtung der Kältelastseite (Teilklimaanlagen) mit der Kaltwassererzeugung und Kaltwasserverteilung (Adsorptionskältesystemtechnik), da beide Teilsysteme in einer hydraulischen und regelungstechnischen Wechselwirkung zueinander stehen.

Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Entwicklung und Implementierung eines verbesserten Steuerungs- und Regelungskonzepts für die Adsorptionskältemaschine.

In der Betriebspraxis hat sich an der Anlagentechnik der solarthermischen Adsorptionskälteerzeugung am Universitätsklinikum Freiburg gezeigt, dass die genaue Kenntnis der physikalischen Prozesse einzelner Teilsysteme allein keine ausreichenden Ansätze bietet, das gesamte System optimal zu betreiben, da die Prozesse in ihrer Wechselwirkung zueinander anders ablaufen, als ursprünglich angenommen.

Die Verbesserung der Regelungsstrategie über eine Modellbildung des Gesamtsystems und über das Teilsystem Adsorptionskältemaschine hat sich bisher als unzureichend erwiesen, weil die in sehr kurzen Zeitintervallen ablaufenden instationären Prozesse mit stationären Ansätzen beschrieben wurden und die vom Hersteller der Adsorptionskältemaschine veröffentlichten Leistungsdaten in der Betriebspraxis nicht erreicht wurden.

Die Arbeit basiert deshalb auf zwei wesentlichen Arbeitsmethoden. Dieses sind zum einen die kontinuierlichen Messungen an der Systemtechnik der solarthermischen Adsorptionskälteerzeugung am Universitätsklinikum Freiburg sowie die aus den ermittelten Werten abgeleiteten iterativen Anpassungen der hydraulischen Auslegung und Verschaltung. In einem weiteren Schritt erfolgt die Überarbeitung der gesamten Regelungsstrategie mittels neuer Ansätze in der Bearbeitung der verschiedenen regelungstechnischen Aufgabenstellungen zur Verbesserung der gesamten regelungstechnischen Prozesse.

Die Ausarbeitung hat drei thematische Schwerpunkte, die im Rahmen der Gliederung Beachtung finden:

Im Kapitel ‚Grundlagen’ werden die Grundbegriffe der Regelungs- und Steuerungstechnik erläutert, die unterschiedlichen thermischen Solarenergiewandler vorgestellt und abschließend die physikalischen Vorgänge der Adsorption und die Funktionsweise der Adsorptionskältemaschine ausführlich beschrieben.

Der zweite Themenbereich (Kapitel 3 und 4) umfasst die Beschreibung der am Universitätsklinikum Freiburg installierten Systemtechnik zur solarthermischen Kälteerzeugung sowie die Darstellung des Aufbaus der dazugehörigen Messtechnik. Im Anschluss daran werden die über einen Zeitraum von drei Jahren ermittelten Messwerte analysiert und diskutiert.

Im abschließenden Teil werden die anhand der Messwerte und der daraus gezogenen Schlussfolgerungen abgeleiteten allgemeingültigen Richtlinien zum Aufbau und zur Funktion der Anlagenregelung und der Ansteuerung der Adsorptionskältemaschine vorgestellt und bewertet.

Inhaltsverzeichnis:

	Inhaltsverzeichnis
	Eidesstattliche Erklärung
	Vorwort
	Nomenklatur
1.	Einführung	1
1.1	Zielsetzung und Aufbau der Arbeit	1
1.2	Globale energiepolitische Problemstellung	3
1.3	Stand der Technik solarer Kühlsysteme	6
1.4	Neue Lösungsansätze	11
2.	Grundlagen	13
2.1	Grundbegriffe der Regelungstechnik	13
2.1.1	Definition der Regelung und Steuerung	13
2.1.2	Reglerbauarten	15
2.1.3	Digitale Regelungstechnik.	17
2.2	Solarenergie	19
2.2.1	Die Sonne als Energiequelle	19
2.2.2	Globalstrahlung und Sonnenscheindauer	20
2.3	Thermische Solarenergiewandler	22
2.3.1	Solarkollektoren	23
2.3.1.1	Flachkollektoren	24
2.3.1.2	Vakuum-Röhrenkollektoren	28
2.3.2	Flächendefinitionen und Wirkungsgradkennlinien	30
2.4	Adsorptionskälteerzeugung	34
2.4.1	Physikalische Grundlagen des Adsorptionsvorganges	34
2.4.1.1	Gleichgewicht	37
2.4.1.2	Adsorptive	40
2.4.1.3	Adsorbentien	41
2.4.2	Adsorptionskältemaschinen	43
2.4.2.1	Aufbau und Funktion	44
2.4.2.2	Anlagensteuerungund Anlagenregelung	50
2.4.2.3	Forschungsbedarf bei Adsorptionskältemaschinen	51
3.	Systemtechnik der solarthermischen Adsorptionskälteerzeugung am Beispiel des Universitätsklinikums Freiburg	54
3.1	Komponenten und Gesamtanlagenaufbau	54
3.1.1	Adsorptionskältemaschine	57
3.1.2	Rückkühlwerk	59
3.1.3	Solarkollektoren	60
3.1.4	Solarwärmetauscher und Zusatzwärmequelle	63
3.1.5	Warm- und Kaltwasserspeicher	64
3.1.6	Teilklimaanlagen	65
3.2	Hydraulische Kreise	68
3.2.1	Kaltwasserkreisläufe	69
3.2.2	Kühlwasserkreislauf	70
3.2.3	Solarkreis	71
3.2.4	Heizwasserkreisläufe	72
3.2.5	Winterheizkreis	73
3.2.6	Wasserqualitäten und Wasseraufbereitung	74
3.3	Betriebszustände und hydraulische Verschaltungen	76
3.3.1	Kühlbetrieb	76
3.3.2	Warmwasserspeicherbeladung	78
3.3.3	Heizbetrieb	79
3.4	Messtechnik	80
3.4.1	Messwerterfassung	81
3.4.2	Kontrolle und Auswertung der Messdaten	82
3.4.3	Formeln zur Leistungsermittlung (Wärmebilanzierung)	83
3.4.4	Fehlerbetrachtung	89
4.	Betriebs- und Messergebnisse	92
4.1	Vorbemerkungen	92
4.2	Bilanzierung und Bewertung der Solarkollektoranlage	92
4.3	Bilanzierung und Bewertung der Warmwasserspeicherung	97
4.4	Bilanzierung und Bewertung des Kaltwasserspeicherung	99
4.5	Bilanzierung und Bewertung der Adsorptionskältemaschine	100
4.6	Bilanzierung und Bewertung des elektrischen Energieverbrauchs	105
4.7	Bilanzierung und Bewertung des Gesamtsystems	108
4.8	Bilanzierung und Bewertung des solaren Deckungsanteils	110
4.9	Nachweis der Funktionalität der Teilklimaanlagenregelung	113
5.	Erkenntnisse zur Optimierung der Anlagenregelung .	117
5.1	Regelungstechnische Erkenntnisse	118
5.2	Ansteuerung der Pumpen	130
5.3	Regelung und Steuerung der Adsorptionskältemaschine	132
5.4	Weitere betriebliche Erfahrungen	141
6.	Zusammenfassung und Ausblick	143
7.	Literaturverzeichnis	148
8.	Bildquellennachweis	154
8.1	Abbildungsverzeichnis	154
8.2	Tabellenverzeichnis	157
9.	Anhang	159
Anhang A.	Einteilung, Benennung und Darstellung der Funktionsweise der Regler	159
Anhang B.	Strahlungsmessung	171
Anhang C.	Adsorptionskältemaschinen - technische Gegenüberstellung	174
Anhang D.	Kennlinienmodell der Adsorptionskältemaschine GBU NAK-xx	177
Anhang E.	Der Arbeitsprozess einer Adsorptionskältemaschine im Isosteren-Diagramm	178
Anhang F.	Maßzeichnung und Bauteilplan der Adsorptionskältemaschine der Baureihe GBU NAK-xx	181
Anhang G.	Maßzeichnung Rückkühlwerk BAC VFL 242-JR (Rechtsausführung)	183
Anhang H.	Technische Daten SEIDO 2-8 und SEIDO 2-16	184
Anhang I.	EG-Sicherheitsdatenblatt und Herstellerangaben zu Tyfocor (LS)	185
Anhang K.	Dokumentation und Funktionsbeschreibung der Wasseraufbereitungsanlage für das geschlossene Rückkühlwerk BAC VFL 242-JR	192
Anhang L.	Wagurit B 532 - Mikrobiozid (Produktinformation)	196
Anhang M.	Wagurit HK 550 C - Korrosionsschutz (Produktinformation)	198
Anhang N.	Das MID-Messverfahren, Technische Daten des magnetisch-induktiven Durchflussmessers AQUAFLUX K, des Temperaturmessfühlers PT 100, Datenpunktlisten der Messtechnik und AWK-Programmdarstellung	200
Anhang O.	Leistungsvermessung Adsorptionskältemaschine GBU NAK 20/70	219

Inhaltsverzeichnis:

	Inhaltsverzeichnis
	Eidesstattliche Erklärung
	Vorwort
	Nomenklatur
1.	Einführung	1
1.1	Zielsetzung und Aufbau der Arbeit	1
1.2	Globale energiepolitische Problemstellung	3
1.3	Stand der Technik solarer Kühlsysteme	6
1.4	Neue Lösungsansätze	11
2.	Grundlagen	13
2.1	Grundbegriffe der Regelungstechnik	13
2.1.1	Definition der Regelung und Steuerung	13
2.1.2	Reglerbauarten	15
2.1.3	Digitale Regelungstechnik.	17
2.2	Solarenergie	19
2.2.1	Die Sonne als Energiequelle	19
2.2.2	Globalstrahlung und Sonnenscheindauer	20
2.3	Thermische Solarenergiewandler	22
2.3.1	Solarkollektoren	23
2.3.1.1	Flachkollektoren	24
2.3.1.2	Vakuum-Röhrenkollektoren	28
2.3.2	Flächendefinitionen und Wirkungsgradkennlinien	30
2.4	Adsorptionskälteerzeugung	34
2.4.1	Physikalische Grundlagen des Adsorptionsvorganges	34
2.4.1.1	Gleichgewicht	37
2.4.1.2	Adsorptive	40
2.4.1.3	Adsorbentien	41
2.4.2	Adsorptionskältemaschinen	43
2.4.2.1	Aufbau und Funktion	44
2.4.2.2	Anlagensteuerungund Anlagenregelung	50
2.4.2.3	Forschungsbedarf bei Adsorptionskältemaschinen	51
3.	Systemtechnik der solarthermischen Adsorptionskälteerzeugung am Beispiel des Universitätsklinikums Freiburg	54
3.1	Komponenten und Gesamtanlagenaufbau	54
3.1.1	Adsorptionskältemaschine	57
3.1.2	Rückkühlwerk	59
3.1.3	Solarkollektoren	60
3.1.4	Solarwärmetauscher und Zusatzwärmequelle	63
3.1.5	Warm- und Kaltwasserspeicher	64
3.1.6	Teilklimaanlagen	65
3.2	Hydraulische Kreise	68
3.2.1	Kaltwasserkreisläufe	69
3.2.2	Kühlwasserkreislauf	70
3.2.3	Solarkreis	71
3.2.4	Heizwasserkreisläufe	72
3.2.5	Winterheizkreis	73
3.2.6	Wasserqualitäten und Wasseraufbereitung	74
3.3	Betriebszustände und hydraulische Verschaltungen	76
3.3.1	Kühlbetrieb	76
3.3.2	Warmwasserspeicherbeladung	78
3.3.3	Heizbetrieb	79
3.4	Messtechnik	80
3.4.1	Messwerterfassung	81
3.4.2	Kontrolle und Auswertung der Messdaten	82
3.4.3	Formeln zur Leistungsermittlung (Wärmebilanzierung)	83
3.4.4	Fehlerbetrachtung	89
4.	Betriebs- und Messergebnisse	92
4.1	Vorbemerkungen	92
4.2	Bilanzierung und Bewertung der Solarkollektoranlage	92
4.3	Bilanzierung und Bewertung der Warmwasserspeicherung	97
4.4	Bilanzierung und Bewertung des Kaltwasserspeicherung	99
4.5	Bilanzierung und Bewertung der Adsorptionskältemaschine	100
4.6	Bilanzierung und Bewertung des elektrischen Energieverbrauchs	105
4.7	Bilanzierung und Bewertung des Gesamtsystems	108
4.8	Bilanzierung und Bewertung des solaren Deckungsanteils	110
4.9	Nachweis der Funktionalität der Teilklimaanlagenregelung	113
5.	Erkenntnisse zur Optimierung der Anlagenregelung .	117
5.1	Regelungstechnische Erkenntnisse	118
5.2	Ansteuerung der Pumpen	130
5.3	Regelung und Steuerung der Adsorptionskältemaschine	132
5.4	Weitere betriebliche Erfahrungen	141
6.	Zusammenfassung und Ausblick	143
7.	Literaturverzeichnis	148
8.	Bildquellennachweis	154
8.1	Abbildungsverzeichnis	154
8.2	Tabellenverzeichnis	157
9.	Anhang	159
Anhang A.	Einteilung, Benennung und Darstellung der Funktionsweise der Regler	159
Anhang B.	Strahlungsmessung	171
Anhang C.	Adsorptionskältemaschinen - technische Gegenüberstellung	174
Anhang D.	Kennlinienmodell der Adsorptionskältemaschine GBU NAK-xx	177
Anhang E.	Der Arbeitsprozess einer Adsorptionskältemaschine im Isosteren-Diagramm	178
Anhang F.	Maßzeichnung und Bauteilplan der Adsorptionskältemaschine der Baureihe GBU NAK-xx	181
Anhang G.	Maßzeichnung Rückkühlwerk BAC VFL 242-JR (Rechtsausführung)	183
Anhang H.	Technische Daten SEIDO 2-8 und SEIDO 2-16	184
Anhang I.	EG-Sicherheitsdatenblatt und Herstellerangaben zu Tyfocor (LS)	185
Anhang K.	Dokumentation und Funktionsbeschreibung der Wasseraufbereitungsanlage für das geschlossene Rückkühlwerk BAC VFL 242-JR	192
Anhang L.	Wagurit B 532 - Mikrobiozid (Produktinformation)	196
Anhang M.	Wagurit HK 550 C - Korrosionsschutz (Produktinformation)	198
Anhang N.	Das MID-Messverfahren, Technische Daten des magnetisch-induktiven Durchflussmessers AQUAFLUX K, des Temperaturmessfühlers PT 100, Datenpunktlisten der Messtechnik und AWK-Programmdarstellung	200
Anhang O.	Leistungsvermessung Adsorptionskältemaschine GBU NAK 20/70	219

Textprobe:

Kapitel 3.1.2, Rückkühlwerk und Kapitel 3.1.3, Solarkollektoren: Für den Betrieb der Adsorptionskältemaschine ist eine Rückkühlung erforderlich. Bei deren Auswahl und Dimensionierung ist zu berücksichtigen, dass sich während der Umschaltphase von der Desorption zur Adsorption bzw. von der Adsorption zur Desorption der Kühlwasserkreislauf und der Heizwasserkreislauf durchmischen (Wärmerückgewinnung). Dieses Wasservolumen entspricht erfahrungsgemäß ca. 1-3 % der Kühlwasser- oder Heizwassermenge.

Um eine Verschmutzung der Heizwasser- und Kühlwasserkreisläufe sicher zu vermeiden, muss ein geschlossener Kühlwasserkreislauf geplant und installiert werden. Ein offener Kühlturm mit einem Zwischenwärmetauscher zur hydraulischen Systemtrennung erfüllt diese Bedingung auch, macht aber den Einbau (einschl. der Regelung) einer zusätzlichen Pumpengruppe notwendig. Alternativ kann auch ein geschlossenes Rückkühlwerk eingesetzt werden, so dass zudem eine zeitweise Trockenkühlung erreicht werden kann.

Systemtechnisch ergeben sich somit für den Kühlwasserkreislauf folgende Möglichkeiten: Wärmetauscher mit offenem Verdunstungskühlturm, Wärmetauscher mit angeschlossener Wärmerückgewinnung (z.B. Warmwassererzeugung), Wärmetauscher mit sekundärseitiger Kühlung durch Meer-, Fluss- oder Grundwasser oder geschlossener Verdunstungskühlturm.

Aufgrund der räumlich sehr beengten Situation im Technikuntergeschoss des Laborgebäudes wurde ein geschlossener Verdunstungskühlturm vom Typ VFL-242-JR des Herstellers BAC (Baltimore Aircoil) gewählt und installiert.

Da insbesondere während der schwülwarmen Freiburger Sommermonate die relative Feuchte der Außenluft Werte zwischen 65 % und 85 % erreicht, wurde bei der Auslegung des Kühlturms für die eintretende Luft eine Feuchtkugeltemperatur von 22 °C zugrunde gelegt.

Die Solaranlage des Forschungsbereichs Außenkliniken am Universitätsklinikum Freiburg besteht aus einem 171 Quadratmeter großen Solarkollektorfeld mit Vakuum-Röhrenkollektoren des Herstellers SUNDA.

Die Solarkollektoren sind eben auf dem Flachdach des Laborgebäudes in Ost-West-Richtung montiert (Südausrichtung). Die Röhren, und damit auch die Absorberfläche, können in einem Winkel zur Horizontalen von 0° bis 90° angestellt werden. Ein 90 m² großer Teil des Kollektorfeldes (Teilfeld 1) ist in einem Winkel von 45° ausgerichtet, während das Teilfeld 2 (81 m²) mit einem Anstellwinkel von 30° realisiert wurde.

Diese Aufteilung gewährleistet einen gleichmäßigeren und vom jahreszeitlichen Sonnenstand (Azimut) unabhängigeren Solarertrag. Bei diesem Vakuum-Röhrenkollektor handelt es sich um eine zwangsdurchströmten Kollektor. Eine Kollektoreinheit vom Typ SUNDA Seido 2-16 besteht aus 16 paralleldurchströmten Koaxialröhren.