Solare Klimatisierung
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Bei der solaren Klimatisierung wird ein Gebäude, ein Raum oder abstrakter gesehen ein Volumen durch Solarenergie gekühlt und getrocknet. Dazu wird die Antriebsenergiequelle einer Kältemaschine durch solare Strahlung, statt elektrischer Energie aus dem Stromnetz, betrieben.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Gebäudeklimatisierung
[Bearbeiten] Probleme der elektrisch betriebenen Gebäudeklimatisierung
Der höchste Kühlbedarf fällt zeitlich mit der Mittagsspitze im Lastprofil des Stromverbrauchs zusammen. Sie ist damit mitverantwortlich für die Auslegung von Kraftwerken und Stromnetz. Spitzenlaststrom ist ökonomisch wie ökologisch besonders aufwändig.
Kompressionskältemaschinen arbeiten mit Kältemitteln, die beim Entweichen zum Klimawandel beitragen.
[Bearbeiten] Übereinstimmung von Sonnenstrahlung und Klimatisierungsbedarf von Gebäuden
Gebäude müssen nur dann und dort klimatisiert werden, wo sie oder ihre Umgebung durch Sonnenstrahlung aufgeheizt werden. Sonnenenergie steht also immer dort zur Verfügung, wo eine Klimaanlage betrieben werden soll.
Bei genauerer Betrachtung folgt allerdings der Klimatisierungsbedarf der Strahlung mit einer Verzögerung, da die Umwelt und das Gebäude durch ihre Wärmekapazität thermisch träge sind. Im Tagesgang ist die höchste Einstrahlung am astronomischen Mittag (in Deutschland ca. 13:15 Uhr Sommerzeit), die höchste Temperatur aber am Nachmittag gegen 15:00 Uhr. Im Jahresgang ist die intensivste Einstrahlung auf der Nordhalbkugel am 21. Juni, die heißesten Tage folgen je nach lokalem Klima Mitte bis Ende Juli.
[Bearbeiten] Gebäudeklimatisierung mit Solarstrom
[Bearbeiten] Prinzip
Eine elektrische Klimaanlage wird mit lokal erzeugten Solarstrom angetrieben. Im Normalfall wird ein solches System zusätzlich an das Stromnetz angeschlossen, um den außerhalb der Sommermonate erzeugten Strom zu nutzen und die Klimaanlage auch bei nicht laufenden Solarmodulen betreiben zu können.
[Bearbeiten] Vor- und Nachteile
Vorteil eines solchen Systems ist, dass Stromerzeugung und Klimatisierung unabhängig voneinander geplant, gebaut und betrieben werden können; eine Nachrüstung bestehender Klimaanlagen ist möglich. Es stehen technisch ausgereifte Geräte zur Verfügung. Solarmodule und Klimaanlage können auch räumlich getrennt werden.
Nachteil ist die Umwandlung der thermischen Solarstrahlung in thermodynamisch wertvollen Strom, um damit wieder eine thermische Anwendung zu betreiben. Marktübliche Solarzellen haben Wirkungsgrade unter 20 %. Es werden weiterhin Kältemittel benötigt.
[Bearbeiten] Gebäudeklimatisierung mit Sonnenwärme
Bei diesen Verfahren wird Solarthermie verwendet, um mit Wärme zu kühlen. Da solarthermische Kollektoren die Strahlung zu bis zu 70 % nutzen, kann ein etwas ungünstigeres Verhältnis von entfernter Wärme zu aufgewandter Energie (Leistungszahl, Coefizient of Performance COP) als bei elektrischen Kältemaschinen in Kauf genommen werden. Die Solaranlage kann auch der Warmwasserbereitung und der Unterstützung der Heizung dienen.
[Bearbeiten] Geschlossene Sorption
In geschlossenen Verfahren wird die Luft mit einer Absorptionskältemaschine gekühlt, sie kommt nicht mit dem Sorbens in Berührung. Übliche Kältemittel sind Gemische aus Ammoniak und Wasser, seltener Salzlösungen wie Lithiumbromid. Eine Entfeuchtung der Zuluft ist wie bei Kompressionskältemaschinen durch Kühlen unter den Taupunkt und anschließendes Wiedererwärmen möglich.
[Bearbeiten] Offene Sorption
Bei der offenen Sorption wird die Zuluft durch Kontakt mit wasserziehenden Substanzen getrocknet. Anschließend wird Wasser versprüht, das beim Verdunsten die Luft kühlt. Das Sorbens wird dann durch Hitze getrocknet (regeneriert).
Zur Trocknung können feste oder flüssige Stoffe verwendet werden. Beispiel für Verfahren mit Feststoffsorbentien ist der Rotationsentfeuchter. Als flüssige Sorbentien werden Lösungen mit Calciumchlorid, Lithiumchlorid oder Lithiumbromid eingesetzt.
[Bearbeiten] Vor- und Nachteile
Ein Vorteil der Sorption ist, dass der thermodynamisch ungünstige Umweg über die Erzeugung von Strom vermieden wird. Wärme oder wasserziehende Substanzen können im Gegensatz zu Strom verlustarm gespeichert werden.
Als Nachteil erweist sich, dass Solaranlage und Klimaanlage zusammen ausgelegt und gebaut werden müssen, nachträgliche Änderungen sind aufwändig. Bislang gibt es nur wenige Hersteller, die solche Systeme anbieten. Ein weiterer Nachteil ist das sehr grosse Volumen der Kühleinheit gegenüber kompakten elektrischen Klimaanlagen.
[Bearbeiten] Klimatisierung von mobilen Räumen und Behältern
Die bei der Gebäudeklimatisierung vorgestellten Verfahren berücksichtigen nicht das Gewicht und Volumen der Kühleinheit. Für Gebäudeklimatisierung unökonomische Kühlungsprozesse kommen hier ebenfalls zum Einsatz.
[Bearbeiten] Klimatisieren mit Solarstrom
[Bearbeiten] Prinzip
Der durch Sonnenlicht erzeugte Solarstrom wird dazu verwendet Kompressionskältemaschinen oder für kleine Volumen Peltierelemente anzutreiben.
[Bearbeiten] Vor- und Nachteile
Vorteil solchen Systeme ist, dass klimatisiert wird, wenn Klimatisierungsbedarf vorhanden ist. Um den Nachteil des geringen Wirkungsgrad und des leicht verschobenen Kühlbedarfs gegenüber der Wärmeerzeugung durch Sonnenlicht zu kompensieren wird hier die Isolation des Kühlvolumens gegenüber der Umgebung verstärkt. Beispiele sind solar betriebene Kühlboxen (Kühlung mit Peltierelementen), Wohnmobile mit solar betriebenen Klimaanlagen (Kühlung mit kompakten Kompressionskältemaschinen) usw. Ein weiterer Vorteil ist, dass man weitgehend unabhängig von dem stationären Stromnetz ist und dass sich das Gewicht der Kühleinheit durch wegfallende elektrische Speichereinheiten (zweite Autobatterie, Akkumulator) verringert.
Nachteil ist der höhere Kostenfaktor.
[Bearbeiten] Klimatisieren mit Sonnenwärme
Bei diesen Verfahren wird Solarthermie verwendet, um mit Wärme zu kühlen. Es gibt einige exotische Verfahren, die über einen mechanische Zwischenschritt Sonnenwärme zum kühlen verwenden. Dazu zählten:
- Rankine-Prozess -> Kompression
- Vuilleumier-Prozess
- Dampfstrahlprozess
Diese Prozesse werden heute nur für "exotische" Kühlanwendungen verwendet. Für eine kommerzielle Nutzung laufen derzeit Forschungsprojekte, die durch die Erfolge der Materialwissenschaften motiviert sind.
