Kühlkreislauf mit passiver Kälteerzeugung durch Strahlungskühlung
Motivation
Es existiert ein ständig wachsender Kühlbedarf für Produktionsanlagen und Bürogebäude. Derzeit übliche Kühlungen sind Kompressions-Kälteanlagen, die mit dem Kältemittel R134a (Treibhausgas) arbeiten, und Güteziffern von etwa 3 erreichen. Um Primärenergie einzusparen ist es daher nötig, neue Kühlkonzepte mit höheren Güteziffern und umweltfreundlicheren Kältemitteln zu entwickeln.
Passive Kälteerzeugung durch Strahlungskühlung
Das Experimentiergebäude des ZAE Bayern in Würzburg enthält einen Kühlwasserkreislauf (Primärkreislauf) zur Kühlung von Apparaturen und Laborräumen mittels Kühldecken. Die Kälteerzeugung erfolgte bisher konventionell mit einer Kompressionskältemaschine mit entsprechend hohem Primärenergieverbrauch.
In diesem Projekt wurde das Konzept der regenerativen (passiven) Kälteerzeugung durch Strahlungskühlung getestet: Regenwasser wird auf dem Gebäudedach gesammelt und in eine Zisterne eingeleitet. Aus der Zisterne wird das Wasser durch einen Wärmetauscher gepumpt, wo es die Abwärme eines Gebäudekühlkreislaufs (P) aufnimmt. Das erwärmte Wasser wird wieder in die Zisterne eingeleitet. Nachts wird das erwärmte Zisternenwasser auf das Gebäudedach gepumpt. Während es die Dachfläche hinunter läuft, kühlt es sich durch Strahlungs-, Konvektions- und Verdunstungseffekte wieder ab. Das gekühlte Wasser wird in den Dachrinnen gesammelt und wieder in die Zisterne eingeleitet. Damit steht es erneut zur Kühlung des Gebäudes zur Verfügung.
Prinzip der regenerativen (passiven) Kühlanlage
Ergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurde die Anlage im Jahr 2000 installiert und in Betrieb genommen. Es wurden Messungen und Simulationen durchgeführt und Betriebserfahrungen gesammelt. Es wurde gezeigt, dass das System prinzipiell funktioniert.
Typische Werte
- Gebäude mit Kühlwasserkreislauf: Vorlauf: 18 °C, Kühllast ca. 3 kW (im Sommer);
- Regenwasser in Zisterne (40 m³) als thermische Speichermasse, Temperatur: ca. 13 – 18 °C;
- Rückkühlung nachts auf dem Gebäudedach (150 m² Trapezblech), Wasser läuft offen über das Dach, Volumenstrom: ca. 3.6 m³/h;
- Kühlleistung (im Sommer):
- 7 – 20 kW entspr. 50 – 150 W/m² in der Nacht (d.h. ca. 8 Stunden/Tag)
- 3 – 7 kW entspr. 20 – 50 W/m² Dauerkühlleistung (über 24 Stunden gemittelt)
- Güteziffer (Arbeitszahl):
- 10 – 30 Dachkühlung ohne Wärmetauscherkreis
- 5 – 15 Dachkühlung mit Wärmetauscherkreis
Ausblick
Die Anlage ist hydraulisch ein offenes System: das Zisternenwasser läuft offen über das Dach und kühlt sich dabei durch Strahlung, Konvektion und Verdunstung ab.
Im ebenfalls von der DBU geförderten Nachfolgeprojekt Unverglaste Metalldach-Kollektoren im geschlossenen Kühlkreislauf zur passiven Kühlung durch Konvektion und Strahlung wurden geschlossene Systeme getestet, bei denen keine Verdunstung und damit kein Wasserverlust auftritt.
Projektpartner
Laufzeit des Projektes: September 1999 bis Dezember 2002
Dieses Projekt wurde gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) unter dem Förderkennzeichen AZ 14890
Ansprechpartner
Dr. Dietrich Büttner
Tel.: ++49-(0)931/70564-41
e-mail: buettner@zae.uni-wuerzburg.de