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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein solarthermisches Kühlsystem nach Anspruch 1 sowie Verfahren zu dessen Betrieb nach Anspruch 15 oder 16.
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Wachsender Komfortanspruch und tendenziell steigende Außentemperaturen führen zu einem stetig wachsenden Kühlungs- und Klimatisierungsbedarf. Dies ist im Speziellen in Regionen im sogenannten „Sunbelt“ (Breitengrade 0° bis ±30°) vorzufinden, die sonnenreich sind und zudem viele Menschen leben. Die Bereitstellung von Kälte erfolgt hier im Moment nahezu ausschließlich über elektrisch betriebene Kompressionskältemaschinen (zum Teil mit FKW Kältemitteln), wobei der Strom nur zu einem geringen Anteil aus regenerativen Quellen stammt. Ein hoher Primärenergieverbrauch über fossile Energieträger und damit einhergehend hohe CO2-Emissionen werden durch die Kältebereitstellung verursacht. In den heißen Regionen führen die hohen Außentemperaturen zudem zu einer relativ geringen Effizienz der Kältemaschinen, da sie gegen die Umgebung rückgekühlt werden müssen. Die Entkopplung der Rückkühltemperatur von der Außentemperatur lässt sich über Verdunstungskühler erreichen, hier ist dann lediglich die Feuchtkugeltemperatur entscheidend. Jedoch benötigen Verdunstungskühlwerke große Mengen an aufbereitetem Wasser, das in manchen Regionen ein sehr knappes und damit teures Gut darstellt und teilweise gar nicht verfügbar ist (Wassereinsparverordnungen, usw..). In Gebieten mit hoher Luftfeuchtigkeit - wie sie im äquatornahen Raum häufig anzutreffen ist - haben die Nasskühltürme aufgrund der hohen Feuchtkugeltemperaturen keinen signifikanten Vorteil mehr.
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Es trifft hier sehr hohe solare Einstrahlung auf die Erde, die zwar der Verursacher des Kältebedarfs ist, jedoch auch Teil einer nachhaltigen Lösung des Problems sein kann. In den vergangenen Jahren wurden zahlreiche technologische Entwicklungen unter der Bezeichnung der „Solaren Kühlung“ vorgenommen. Hier ist es zunächst unerheblich, ob die Solarstrahlung über Photovoltaik in Strom und dieser dann über Kompressionskältemaschinen in Kälte umgewandelt oder ob sie über solarthermische Kollektoren in Wärme und diese dann über thermisch angetriebene Kältemaschinen (Sorptionskältemaschinen) in Kälte umgewandelt wird. Vorteilhaft bei der solaren Kühlung ist, dass der größte Kältebedarf meist dann herrscht, wenn auch die Sonne scheint. Für einen möglichst hohen solaren Deckungsanteil sollten aber in beiden Varianten Energiespeicher eingesetzt werden, um die Solarenergie bzw. die solar erzeugte Kälte 24h zu nutzen.
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Bei der PV-basierten Kühlung können Batteriespeicher zum Einsatz kommen, die den tagsüber erzeugten überschüssigen Strom speichern und dieser dann in den Abend- und Nachtstunden genutzt werden kann, um Kälte zu erzeugen. Batteriespeicher sind allerdings für größere Leistungen und Energiemengen nach wie vor kostspielig. Alternativ können Kältespeicher eingesetzt werden, welche die tagsüber produzierte Kälte für die Nachtstunden bereitstellen. Die Variante der Kältespeicherung erfordert verhältnismäßig große, auf Solarstrahlungsmaxima ausgelegte, Kältemaschinen, da der gesamte produzierte Solarstrom direkt verbraucht, also in Kälte umgewandelt werden muss. Zudem herrschen tagsüber sehr ungünstige Rückkühlbedingungen, was die Gesamteffizienz der Kälteerzeugung verschlechtert.
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Ebenso sind klassische solarthermische Sorptionskühlsysteme, wie sie z. B. aus der
CN 205 783 976 U bekannt sind, unerheblich ob ein- oder mehrstufig, unter den hohen Außentemperaturen mit trockenen Rückkühlern oftmals nicht oder nur sehr ineffizient betreibbar. Aus der
US 5 761 925 A , der
US 4 542 628 A ,
US 4 337 625 A und der
JP S52-76 758 A sind jeweils zweistufige Absorptionswärmepumpen ohne solaren Antrieb bekannt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein solarthermisches Kühlsystem anzugeben, das die vorstehend genannten Nachteile und Hemmnisse überwindet und sowohl tagsüber als auch nachts ausreichend Kälteleistung bereitstellt. Weiter ist es Aufgabe, Verfahren zum Betreiben des solarthermischen Kühlsystems anzugeben.
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Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 sowie 15 und 16.
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Eine zweistufige Sorptionswärmepumpe wird mittels thermischen Hochtemperatur-Solarkollektoren als Wärmequelle angetrieben. Die im Kondensator und Absorber anfallende Wärme auf mittlerem Temperaturniveau wird in einem ersten Wärmespeicher zwischengespeichert. Im Verdampfer wird die gewünschte Kälteleistung erbracht. In kühleren Tageszeiten und insbesondere nachts wird eine einstufige Sorptionswärmepumpe mit Wärme aus dem ersten Wärmespeicher betrieben. Im Kondensator und Absorber anfallende Wärme wird an ein Rückkühlwerk an die Umgebung abgegeben und im Verdampfer der einstufigen Sorptionswärmepumpe wird zusätzlich Kälteleistung bereitgestellt. Durch die Kombination einer zweistufigen Sorptionswärmepumpe mit hohem Temperaturhub und einer einstufigen Sorptionswärmepumpe kann 24h lang Kälteleistung bereitgestellt und die kritische Rückkühlung in kühlere Tageszeiten und insbesondere in die Nachtzeiten verschoben werden. Dies äußert sich in einer hohen Gesamteffizienz.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung nach Anspruch 2 sind die beiden Sorptionswärmepumpen in einem Bauteil vereint. Dieses Bauteil kann dann entweder als zweistufige Sorptionswärmepumpe oder als einstufige Sorptionswärmepumpe arbeiten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Be- und Entladung des ersten Wärmespeichers durch eine erste Steuereinrichtung gesteuert. Damit ist es möglich, die zweistufige und die einstufige Sorptionswärmepumpe gleichzeitig zu betreiben, was in Übergangszeiten zwischen Tag und Nacht sinnvoll sein kann - Ansprüche 3 und 16.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 ermöglicht die Nutzung der in dem ersten Wärmespeicher zwischengespeicherten Wärme für andere Zwecke, falls diese beispielsweise nicht für die Kühlung benötigt wird. Die Einstellung erfolgt über eine zweite Steuereinrichtung.
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Vorzugsweise ist im zweiten Fluidkreis ein zweiter Wärmespeicher bzw. ein Kältespeicher angeordnet. Mittels einer dritten Steuereinrichtung lässt sich damit der zweiten Wärmequelle kontinuierlich Wärme entnehmen, d. h. es wird eine kontinuierliche Versorgung des Kälteverbrauchers mit Kälteleistung ermöglicht - Anspruch 5.
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Die konkreten Verschaltungen nach den Ansprüche 6 bis 8 haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 9 lassen sich auf die für den Antrieb der zweistufigen Sorptionswärmepumpe nötigen hohen Temperaturen bereitstellen.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 10 lässt sich der Antriebskreis des Kühlsystems auch bei hohen Temperaturen bei Atmosphärendruck betreiben.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 11 macht das Kühlsystem umwelttechnisch unbedenklich.
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Durch das Verschieben der Rückkühlung in kühler Tageszeiten können anstelle von teuren und aufwendigen nassen Rückkühlwerken einfachere und kostengünstigere trockne Rückkühlwerke eingesetzt werden - Anspruch 12.
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Durch die Parallelschaltung nach Anspruch 13 ergibt sich gegenüber einer seriellen Durchströmung eine erhöhte Gesamteffizienz.
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Durch die Ausgestaltung der beiden Wärmespeicher als Latentwärmespeicher verringert sich das Volumen der beiden Wärmespeicher - Anspruch 14.
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Durch den Tag- und Nachtbetrieb gemäß Anspruch 15 ergeben sich durch die innovative Verschiebung der Kälteerzeugung in die kühleren Nachtstunden trotz gleichzeitiger Kältebereitstellung tagsüber keine Effizienzeinbußen aufgrund der hohen Au-ßentemperaturen auf und es ist kein Verdunstungskühlturm nötig. Das solarthermische Kühlsystem benötigt bei gleichen solaren Deckungsanteilen nur ca. die Hälfte der Solarfläche gegenüber einer PV-Lösung, bzw. kann es bei gleicher verfügbarer Fläche den doppelten solaren Deckungsanteil erbringen.
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Die beiden Sorptionswärmepumpen des solarthermischen Kühlsystems lassen sich auch gleichzeitig - Anspruch 16 und 17 - betreiben. Damit lässt sich auch z. B. bei schwankender Sonneneinstrahlung eine bestimmte Kälteleistung kontinuierlich bereitstellen und/oder ein externer Wärmeverbraucher mit Wärme versorgen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform.
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Es zeigt
- 1 die schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung des solarthermischen Kühlsystems mit einer zweistufigen Double-Lift Sorptionswärmepumpe, einer einstufigen Single-Effect-Sorptionswärmepumpe mit zugehörigen Wärmespeichern und Wärmetauschkreisen,
- 2 eine Darstellung der einstufigen Sorptionswärmepumpe in 1 im Dühring-Diagramm,
- 3 eine Darstellung der zweistufigen Sorptionswärmepumpe in 1 im Dühring-Diagramm, und
- 4 eine Darstellung der erzielbaren Wärmeverhältnisse der beispielhaften Ausführungsform nach 1.
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung mit einer zweistufigen Sorptionswärmepumpe DL und einer einstufigen Sorptionswärmepumpe SE. Wie aus der Darstellung der zweistufigen Sorptionswärmepumpe DL im Dühring-Diagramm in 2 zu ersehen ist, handelt es sich um eine Double-Lift- Sorptionswärmepumpe mit großem Temperaturhub. Die zweistufige Sorptionswärmepumpe DL umfasst einen ersten Verdampfer E0_DL, einen ersten Absorber A0_DL, einen zweiten Verdampfer E1_DL, einen zweiten Absorber A1_DL, einen Kondensator C1_DL und einen Generator G1_DL. Der erste Verdampfer E0_DL und der erste Absorber A0_DL befinden sich auf dem unteren Druckniveau po, der zweite Verdampfer E1_DL und der zweite Absorber A1_DL befinden sich auf dem mittleren Druckniveau p1 und der Kondensator C1_DL und der Generator G1_DL befinden sich auf dem oberen Druckniveau p2. Der erste Verdampfer befindet sich auf dem ersten und niedrigsten Temperaturniveau T0 auf dem die Kühlleistung erbracht wird. Der erste Absorber A0_DL und der zweite Verdampfer E1_DL befinden sich auf einem zweiten Temperaturniveau T1, der zweite Absorber A1_DL und der Kondensator C1_DL befinden sich auf einem dritten Temperaturniveau T2 und der Generator G1_DL befindet sich auf dem vierten Temperaturniveau T3, dem höchsten Temperaturniveau.
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3 zeigt die einstufige Sorptionswärmepumpe SE mit einem Verdampfer E0_SE, einem Absorber A0_SE, einem Kondensator C1_SE und einem Generator G1_SE. Der Verdampfer E0_SE und der Absorber A0_SE arbeiten auf einem unteren Druckniveau p0 und der Kondensator C1_SE und der Generator G1_SE arbeiten auf einem höheren Druckniveau p1. Die Funktionsweise der Sorptionswärmepumpen DL und SE wird als bekannt vorausgesetzt.
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Über einen ersten Fluidkreis 1 wird Wärme aus einer ersten Wärmequelle WQ1 auf dem höchsten Temperaturniveau T3 in den Generator G1_DL als Antriebsenergie eingekoppelt. Die im zweiten Absorber A1_DL und dem Kondensator C1_DL frei werdende Wärme auf dem Temperaturniveau T2 wird über einen zweiten Fluidkreis 2 in einen ersten Wärmspeicher WSP1 und/oder in den Generator G1_SE der einstufigen Sorptionswärmepumpe SE als Antriebswärme eingekoppelt. Über eine erste Steuereinrichtung 6 wird eingestellt, in welchem Maße die Wärme aus dem Kondensator C1_DL und dem zweiten Absorber A1_DL in den ersten Wärmespeicher WSP1 und/oder in den Generator G1_SE der einstufigen Sorptionswärmepumpe SE eingekoppelt wird. Die erste Steuereinrichtung 6 regelt auch, ob im ersten Wärmespeicher WSP1 zwischengespeicherte Wärme als Antriebwärme in den Generator G1_SE der einstufigen Sorptionswärmepumpe SE eingekoppelt wird. Über eine zweite Steuereinheit 7 wird eingestellt, in welchem Maße die Wärme aus der ersten Wärmequelle WQ1 oder dem ersten Wärmespeicher WSP1 zwischen dem Generator G1_SE der einstufigen Sorptionswärmepumpe SE und einem externen Wärmeverbraucher WV aufgeteilt wird. Die im ersten Absorber A0_DL frei werdende Wärme wird mittels eines Wärmetauschkreises 3 in den zweiten Verdampfer E1_DL eingekoppelt. Im ersten Verdampfer E0_DL wird auf dem untersten Temperaturniveau T0 die Kälte bereitgestellt. Über einen dritten Fluidkreis 4 ist ein zweiter Wärmespeicher WSP2 („Kältespeicher“) bzw. ein Kälteverbraucher WQ2 seriell mit dem ersten Verdampfer E0_DL gekoppelt und stellt die für die Verdampfung notwendige Wärme bereit. Parallel zum Kälteverbraucher WQ2 ist ein zweiter Wärmespeicher bzw. ein Kältespeicher WSP2 in den dritten Fluidkreis 4 eingebunden. Seriell zu dem Kältespeicher WSP2 ist der Verdampfer E0_SE der einstufigen Sorptionswärmepumpe SE in den dritten Fluidkreis eingebunden. Eine dritte Steuereinrichtung 8 regelt, in welchem Maße die in den beiden Verdampfern E0_DL und E0_SE bereitgestellte „Kälte“ an den Kälteverbraucher WQ2 oder den Kältespeicher WSP2 gelangt bzw. ob die durch die beiden Verdampfer E0_DL und E0_SE aufgenommene Wärme aus dem Kälteverbraucher WQ2 und/oder dem Kältespeicher WSP2 stammt. Über einen vierten Fluidkreis 5 wird die im Absorber A0_SE und Kondensator C1_SE frei werdende Abwärme der einstufigen Sorptionswärmepumpe SE über ein trockenes Rückkühlwerk RKW an die Umgebung abgegeben.
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Anhand von 4 wird der Betrieb beispielhaften Ausführungsform der Erfindung erläutert. Tagsüber wird die Solarstrahlung (1 Wärmeeinheit) über thermische Solarkollektoren (Fresnel- oder Parabolrinnenkollektoren) - erste Wärmequelle WQ1 - in Wärme bei ca. 160°C gewandelt und über den ersten Fluidkreis 1 mit einem Wärmeträger für den Antrieb der zweistufigen Sorptionskältemaschine DL verwendet. Diese zweistufige Sorptionswärmepumpe DL kann einen hohen Temperaturhub von ca. 85K leisten („Double-Lift/DL“). Damit kann Kälte (0,4 Einheiten) mit einer Effizienz von COPDL=0,4 bei 5°C erzeugt werden. Die Summe aus zugeführter Antriebswärme und der dem ersten Verdampfer E0_DL zugeführten Wärme und wird dann bei 90°C frei, aber nicht an die Umgebung abgegeben, sondern in einem ersten Wärmespeicher WSP1, z.B. einem Warmwasserspeicher, gespeichert (1,4 Einheiten).
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In den Abend- und Nachstunden kann dann die einstufige Sorptionskältemaschine SE durch die im ersten Wärmespeicher WSP1 zwischengespeicherten Wärme bei ca. 90°C angetrieben und in einem einstufigen Modus („Single-Effect/SE“) weiterhin Kälte bei 5°C mit einer Effizienz COPSE=0,7 erzeugen. Die gesunkenen Umgebungstemperaturen während dieser Zeit erlauben dann die Abgabe der Abwärme an die Umgebung über ein trockenes Rückkühlwerk bei ca. 40°C (2,4 Einheiten). Die Maschine erzeugt die aktuell benötigte Kälteleistung (hier bspw. 0,2) und lädt zusätzlich einen Kältespeicher mit 0,8 Einheiten. Diese „Kältemenge“ steht dann am nächsten Tag zusätzlich zur direkt tagsüber erzeugten Kälte zur Verfügung, so dass dem Verbraucher 1,2 Einheiten Kälte zur Verfügung stehen. In Summe erzeugt das solarthermische Kühlsystem so aus 1 Einheit Solarwärme 1,4 Einheiten nutzbare Kälte, was somit über 24h betrachtet einem COP der Kälteerzeugung von 1,4 entspricht und als hocheffizient bezeichnet werden kann.
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Im ersten Fluidkreis 1 wird als Wärmeträger Thermoöl oder Druckwasser verwendet. Thermoöl hat den Vorteil, dass der erste Fluidkreis 1 bei Umgebungsdruck betrieben werden kann. Allerdings ist Thermoöl umwelttechnisch etwas problematisch. Druckwasser hingegen ist umwelttechnisch unproblematisch, jedoch erhöht sich durch den Überdruck der technische Aufwand für den ersten Fluidkreis. Im zweiten, dritten und vierten Fluidkreis 2, 4, 5 und im Wärmetauschkreis 3 wird bevorzugt Wasser als Wärmeträger eingesetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Fluidkreis
- 2
- zweiter Fluidkreis
- 3
- Wärmetauschkreis
- 4
- dritter Fluidkreis
- 5
- vierter Fluidkreis
- 6
- erste Steuereinrichtung
- 7
- zweite Steuereinrichtung
- 8
- dritte Steuereinrichtung
- E0_SE
- Verdampfer einstufige Sorptionswärmepumpe
- A0_SE
- Absorber einstufige Sorptionswärmepumpe
- G1_SE
- Generator einstufige Sorptionswärmepumpe
- C1_SE
- Kondensator einstufige Sorptionswärmepumpe
- E0_DL
- Erster Verdampfer zweistufige Sorptionswärmepumpe
- A0_DL
- Erster Absorber zweistufige Sorptionswärmepumpe
- E1_DL
- Zweiter Verdampfer zweistufige Sorptionswärmepumpe
- A1_DL
- Zweiter Absorber zweistufige Sorptionswärmepumpe
- G1_DL
- Generator zweistufige Sorptionswärmepumpe
- C1_DL
- Kondensator zweistufige Sorptionswärmepumpe
- WQ1
- erste Wärmequelle
- WQ2
- zweite Wärmequelle/ Kälteverbraucher
- WSP1
- erster Wärmespeicher
- WSP2
- zweiter Wärmespeicher, Kältespeicher
- WV
- externer Wärmeverbraucher
- RKW
- Rückkühlwerk
- DL
- zweistufige Sorptionswärmepumpe
- SE
- einstufige Sorptionswärmepumpe
- pi
- Interne Druckniveaus des Sorptionsprozesses
- Ti
- Temperaturniveaus der Fluidkreise
