DE19962644A1

DE19962644A1 - Solarautarkes Versorgungssystem für Inselbetrieb

Info

Publication number: DE19962644A1
Application number: DE19962644A
Authority: DE
Inventors: Herbert Mueller; Siegfried Kreusler; Anouar Mrimi
Original assignee: HKF HEIZUNGSBAU GmbH
Current assignee: HKF HEIZUNGSBAU GmbH
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 1999-12-23
Publication date: 2001-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Versorgungssystem zur Speisenkühlung und/oder Heißwasserversorgung und/oder Trinkwasserbereitung für versorgungsnetzfernen, also Inselbetrieb, wobei durch die Solarenergienutzung energetisch Autarkie erreicht wird. Ein komplettes Versorgungssystem besteht aus den Hauptbaugruppen Solar-Adsorptionskühler, Solar-Heißwasserbereiter und Solar-Feuchtluftdestillator, wobei die funktionsbestimmenden Anlagenteile wie Solarkollektoren, Kodensatoren, Speicher usw. so zueinander angeordnet und funktionell verbunden sind, daß zusammen mit der solaren Energiezufuhr am Tag gemeinsam mit der nächtlichen Abkühlung Medienbewegungen aufgrund der physikalischen Gesetze von selbst stattfinden können, wodurch die Autarkie im Inselbetrieb ermöglicht wird. Für das Funktionieren als selbsttätiges System sind besonders hervorzuheben DOLLAR A - die geometrisch definierte Ausführung des den Kühlraum des Adsorptionskühlers umgebenden Wasserraums zur Gewährleistung der Eisspeicherwirkung DOLLAR A - die pumpenlose Gestaltung des Heißwassersystems DOLLAR A - die Anordnung des Kondensators des Solarkühlers im Rieselkühler des Feuchtluftdestillators zur Nutzung von Verdunstungskühleffekten.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Verbesserung der Versorgung unter den Aspekten der Versorgungsbreite, des Versorgungs aufwandes, der Versorgungssicherheit und der Versorgungsbelastungen ist eine ökonomisch, öko logisch und bevölkerungspolitisch wichtige Aufgabe von globaler Dimension.

Die Erfindung

- betrifft die autarke Versorgung mit Kühlenergie und/oder Heißwasser und/oder Trinkwasser auf der Basis der regenerativen Solarenergie;
- ist immer dann anzuwenden, wenn Sonnenenergie zur Verfügung steht und eine zuverlässige und wartungsarme Versorgung im Inselbetrieb erforderlich ist, was insbesondere für die Versorgung der Bevölkerung in sonnenreichen Entwicklungsländern ohne entsprechende Versorgungsnetze zutrifft;
- ermöglicht bei Kopplung der verschiedenen Versorgungsaufgaben im Sinne eines integrierten technischen Systems eine Verringerung des Investaufwandes und der späteren Betriebskosten.

Charakteristik bekannter technischer Lösungen

Die Nutzung der Sonnenenergie für die drei genannten Versorgungsaufgaben ist prinzipiell be kannt, entsprechende technische Systeme gehören zum Stand der Technik. Diese Systeme erfüllen aber die Ansprüche im Sinne der vorgenannten Anwendungen nicht hinreichend, z. B.

- bestehen den Einsatz hindernde technische Voraussetzungen wie etwa die Notwendigkeit zur Anbringung von Pumpen oder
- es werden die Systeme i. allg. für die jeweilige Versorgungsaufgabe isoliert genutzt, eine gezielte Kombination im Sinne der Invest- oder Betriebskostenreduktion erfolgt demzufolge nicht.

Bekannte Beispiele solartechnischer Lösungen für die genannten Versorgungsaufgaben im einzelnen sind

- für die Trinkwasserbereitung aus Meer- oder Brackwasser die Feuchtluft-Destillation, wie in den Zeitschriften "Sonnenenergie & Wärmepumpe" 3 (1988) Heft 4 bzw. "Betriebs technik" 35 (1994) 5, Beilage Betrieb und Energie, beschrieben
- für die Warmwasserbereitung im Handel angebotene Lösungen z. B. bekannter Heizungsfirmen
- für die Kühlenergieversorgung die Nutzung sog. "Solarkühler" oder "Adsorptionskühler", wie z. B. in Patentschrift DE 35 21 448 C2 bzw. Gebrauchsmuster G 8517474.2 beschrieben.

Als Nachteile dieser Lösungen sind zu nennen:

a) Die Warmwasserbereitungssysteme erfordern zur Absicherung der Wasserbewegung durch das System entweder
- - den Wasseranschluß an ein Wasserdrucknetz (Durchlaufverfahren) oder
- - das Vorhandensein einer Umwälz-Pumpe (Umlauf oder Boilerverfahren), was im allg. eine Elektroenergieversorgung beim Anwender voraussetzt.
  Das steht einem Einsatz in Entwicklungsländern z. B. sehr entgegen!

a) Der Aufwand für die Solar- oder Adsorptionskühler wird maßgeblich dadurch bestimmt, wie gut es gelingt, die Kühlenergienutzung an die Kühlaufgabe anzupassen, weil durch den Solarenergieeinsatz tageszeitliche Perioden vorgegeben sind. Insbesondere ist die Kühlenergie geeignet zu speichern, was bekanntermaßen durch Eisbildung erfolgt. Die o. g. Patentschrift enthält keine Vorschriften für die aufwandsarme, zweckmäßige Gestaltung des Kühlenergie einsatzes für die Speisenkühlung unter den Bedingungen des Einsatzes in Entwicklungsländern.
b) Die Adsorptionskühlung ist physikalisch u. a. durch folgende 2 Merkmale charakterisiert:
- - Die Adsorbensfüllung (z. B. mit Zeolith) der Solarkollektoren heizt sich beim Desorptions betrieb am Tage bis auf Temperaturen um z. B. 200°C auf. Der Wechsel zum Sorptionsbetrieb nachts verlangt zunächst die Abkühlung dieses Adsorbens, gewöhnlich durch Wärmeabgabe an die Umgebung. Das ist ein Verlust an exergiereicher, also nutzungswürdiger Energie.
- - Im Desorptionsbetrieb muß der desorbierte Wasserdampf kondensiert werden, wozu die Kon densationswärme abzuführen ist. Diese Kühlung kann mit Wasser oder Luft erfolgen. Am technisch einfachsten und zuverlässigsten ist ein Einsatz von Umgebungsluft, der aber auch Nachteile hat: Die Lufttemperatur ist in den Entwicklungsländern am Tage oft sehr hoch. Außerdem hat Luft einen schlechten Wärmeübergangskoeffizienten, was zu geringen k-Wer ten für den Kondensator führt und zusammen mit der hohen Lufttemperatur sehr große Kühlflächen erfordert und dadurch den Kondensator und somit den gesamten Solarkühler unnötig verteuern würde.

Darstellung der Erfindung

Der in den Patentansprüchen formulierten Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Versorgung von notwendigerweise im Inselbetrieb zu versorgenden Verbrauchern dadurch zu verbessern, daß der Betriebsaufwand verringert und die Anpassung der Versorgung an die Nutzungsbedingungen optimiert wird bei vergleichsweise gleichem oder sogar sinkendem apparativen Aufwand bei zu nehmender Einfachheit.

Zur Erreichung dieses Ziels folgt als Aufgabe die Gestaltung einer autarken integrierten Versor gungsanlage auf Solarenergiebasis für Trinkwasser und/oder Heißwasser und/oder Kühlenergie (für den vorzugsweisen Einsatz in Entwicklungsländern) bei maximalem Anteil an sog. "von-Selbst"- Funktionen wie z. B. Bewegungsvorgängen unter Schwerkrafteinfluß.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe wie folgt gelöst:

- Die mit der Erfindung anvisierten Verbraucher in den Entwicklungsländern benötigen i. allg. zwei oder drei der genannten Versorgungsobjekte, z. B. Kühlenergie und Warmwasser bei Vorliegen von genügend Trinkwasser oder Kühlenergie und Warmwasser und Trinkwasser, was für Inselbetrieb in ariden Gegenden typisch sein kann. Mit der erfindungsgemäßen apparati ven Kopplung der Versorgungssysteme für diese Versorgungsobjekte, z. B. hinsichtlich der exergetischen Qualität der umgesetzten Energien oder hinsichtlich der geodätischen Höhen der Bauelemente werden ausgewählte Funktionsparameter verbessert und dadurch der Betriebsablauf optimierbar sowie einige Bauelemente verkleinerbar oder ganz und gar überflüssig.
- Für die Solarenergienutzung, vorallem in den anvisierten Entwicklungsländern, ist ist der perio dische Tag-Nacht-Wechsel typisch. Kühlenenergie mit Adsorptionskühlern wird nachts erzeugt und durch Eisbildung in den Tag hinein gespeichert. Damit die allseitige Speisenkühlung in einem entsprechenden Kühlraum ganztägig zuverlässig gewährleistet ist (bei gleichmäßiger Temperaturverteilung im Kühlraum) und trotzdem eine Kältespeicherung erhalten bleibt, wird erfindungsgemäß ein den Kühlraum umgebender Kaltwasserraum in umgekehrter Topfform mit definiertem Verhältnis zwischen obenliegendem "Topfboden" zur Aufnahme der Eisspeicher schicht und dem den Kühlraum umgebendem "Topfmantel" vorgesehen, wobei das Verhältnis so zu bemessen ist, daß die Vereisung nicht in den Topfmantel hineinreichen kann.
- Das vorstehend genannte Wechselspiel zwischen heißer Tag- und kalter Nachtphase wird er findungsgemäß für eine pumpenlose Heißwasserbereitstellung am Tage genutzt, indem die mit der Nachtabkühlung versehene Volumenkontraktion eines erhitzten Gasraumes Wasser in die So larkollektoren saugt, welches am Tage zu Gebrauchs-Heißwasser aufgeheizt wird.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 Integriertes Versorgungssystem für Trinkwasser, Heißwasser und Kühlenergie für Inselbetrieb - Gesamtansicht

Fig. 2 Integriertes Versorgungssystem für Trinkwasser, Heißwasser und Kühlenergie für Inselbetrieb - Seitenansicht der höhenmäßigen Anordnung ausgewählter Bauelemente einschließlich Darstellung des Luft- und Wasserkreislaufs im Destillator

Das Ausführungsbeispiel zeigt eine erfindungsgemäße Anlage, in der alle in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale vereinigt sind. Das Zusammentreffen aller dieser Merkmale ist keine notwendige Bedingung!

Der einheitlich als eine Baugruppe konzipierte Solarkollektor (1) - z. B. als Vakuum-Röhrenkol lektor gestaltet - ist in 3 Teile unterteilt, wobei Teil (1a) die Erwärmungsenergie für die Feucht luftdestillation (A), Teil (1b) die Wärme für die Heißwasserbereitung (B) und Teil (1c) die Desorptionwärme für den Adsorptionskühler (C) liefert.

Die in allen 3 Teilen aus Fertigungsgründen prinzipiell gleich aufgebauten Röhren-Kollektorele mente des Adsorptionskühlers enthalten beim Adsorptionskühler (C) im Innenrohr die Adsorbens füllung, in die erfindungsgemäß eine wasserdurchflossene Kühlschlange (2) zur Nutzung der fühl baren Wärme des Adsorbens und dessen schnellerer Kühlung im Hinblick auf eine Verlängerung der Adsorptionsphase (nach Abschluß der Desorptionsphase) eingeordnet wird, die über ein ge sondertes Zapfventil (17) die zusätzliche Warmwasserentnahme WW in der Abendzeit ermöglicht.

Die Kühlung von Speisen o. ä. erfolgt in einem Kühlraum (3) mit Tür in von Kühlschränken her bekannter Weise. Zur Erzeugung einer guten Temperaturverteilung im Kühlraum und zur Absiche rung der Kühlwirkung in der Desorptionsphase am Tage durch Eisspeicherung wird der Kühlraum erfindungsgemäß von einem topfförmigen Wasserraum (4) umgeben, wobei der "Topfboden" die Decke des Kühlraums und der "Topfmantel" die 3 Seiten des Kühlraums (außer der Türseite!) umgibt. Zur Absicherung der Speicherwirkung des sich im Topfboden in der nächtlichen Adsorp tionsphase bildenden Eises ist ein bestimmtes Verhältnis zwischen Topfbodenvolumen V_B und Topfmantelvolumen V_M einzuhalten, erfindungsgemäß muß V_B < 2,5 V_M sein.

Im Feuchtluftdestillationsteil (A) wird in bekannter Weise durch die Wassererwärmung im Kolle torteil (1a) die zur Wasserverdunstung im Rieselturm (5) nötige Energie geliefert, wobei

- der Meer-Brackwasser-Kreislauf als Teilumlaufsystem gestaltet ist, d. h. das im Feuchtluftkon densator (6) anfallende Reinwasser im Auffangbehälter (7) gesammelt und das Wasser-Men genäquivalent (20) vor der Pumpe (18) zugeführt wird;
- als Verdunstungsmedium Luft fungiert, die im Naturumlauf (19) das System durchströmt, wie aus Fig. 2 erkennbar.

Erfindungsgemäß wird nun der Kondensator (8) des Adsorptionskühlers (C) im unteren Teil des Gradierwerks direkt über der Konzentrat-Auffangwanne (9) des Meer-/Brackwasserkreislaufs angeordnet,

- wodurch infolge der Verdunstungskühlung einerseits niedrigere Temperaturen und andererseits höhere Wärmeübergangszahlen α für die Wasserdampfkondensation im Kondensator (6) erzielt werden, was die Kondensatorfläche und damit den Bauaufwand für den Kondensator vermindert und
- wodurch im Feuchtluftdestillator auch der Umluftkreislauf eine Wärmezufuhr erfährt, also die Baugröße des Kollektorteils (1a) verminderbar ist.

Die Nutzung des Rieselturms zur Steigerung der Wärmeübertragungsleistung ist auch bei nicht in Betrieb befindlichem Destillator möglich, wenn erfindungsgemäß Luftklappen (10) geöffnet werden, wobei es sinnvoll ist, die untere Klappe nach der sonnenlosen Seite auszurichten, um durch die Kaminwirkung des Rieselturms (jetzt ohne Berieselung!) vermehrt kalte Luft über den Kondensator zu leiten.

Das Heißwasserbereiterteil besteht aus dem eigentlichen Kollektor (1b) und einem über ihm ange ordneten Leerraum-Behälter (11), der mit den Innenrohren des Röhrenkollektors als den wasser führenden Bauelementen verbunden ist. Am Tage erwärmt sich das Wasser in den Röhren. Sollte es zur Verdampfung kommen, wird der Überdruckdampf durch rückströmverhindernde Armat ren (12) in die Atmosphäre abgeleitet. Der Kollektor (1b) ist ebenfalls über eine rückströmverhi dernde Armatur (13) mit dem Reinwasserauffangbehälter (7) verbunden. Infolge der nächtlichen Abkühlung entsteht in dem Gesamtsystem ein Unterdruck, der dazu führt, daß selbsttätig Wasser aus dem Behälter (7) in die Kollektoren (1b) gesaugt wird. Da das nächtliche Abkühlen nur zu einer teilweisen Volumenverminderung bei gleichgehaltenem Druck im System führen würde, muß, damit die Kollektoren mit hoher Zuverlässigkeit ganz gefüllt werden, der Behälter (11) als leerer Raum über dem Kollektor (1b) angeordnet werden. Soll das selbsttätige Einsaugen von Wasser nur die Kollektoren füllen, muß unter normalen Tag-Nacht-Temperaturbedingungen in den heißen Entwicklungsländern das Volumen des Leerbehälters (11) etwa das 1,5 -fache des Was servolumens im Kotlektor (1b) betragen. Bei Nutzung dieses Systems kann Kaltwasser KW di rekt aus dem Behälter (7) und Heißwasser HW aus dem Kollektorsystem (1b) oberhalb des Rück stromverhinderers (13) entnommen werden. Mit der Entnahme von Wasser aus dem Kollek tor (1b) würde sofort über Armatur (13) Wasser aus Behälter (7) nachgesaugt, welches - auch wenn es an der Oberseite des Kollektors (1b) eintritt, zu Vermischung mit dem Heißwasser im Kollektor führen würde. Ist das unerwünscht, muß eine Belüftungsleitung (14), die z. B. über eine 3-Wege-Armatur (15) im Entnahmefall selbsttätig angesprochen werden kann, in den Leerbehälter (11) führen.

In prinzipiell gleicher Weise ist die oben angeführte Adsorbenskühlung hydraulisch zu gestalten, indem hier ein Leerbehälter (16) mit dem Wasserbehälter (7) verbunden wird und die Adsorbens kühlung durch die Kühlschlange (2) im Durchlaufprinzip erfolgt.

Das Ausführungsbeispiel macht deutlich, daß bei konsequenter Beachtung der geodätischen Hö hen der Baugruppen zueinander weitgehend selbsttätige Prozesse stattfinden. Im Falle vor handener Wasserversorgung (= Füllen des Behälters (7) durch zentrale Wasserversorgung oder auf manuellem Wege), also der verbleibenden Kombination Kühlenergie- und Heißwasserbe reitstellung ist z. B. keine Pumpe erforderlich und damit völlige Versorgungsautarkie erreicht. Andernseits könnte die geringe elektrische Energie der Umwälzpumpe (8) auch auf bekanntem photovoltaischem Wege erzeugt werden oder die Pumpe wird erfindungsgemäß durch einen warmluftbetriebenen Stirlingmotor angetrieben. Der Naturumlauf im Destillator (A) macht zudem einen Ventilator überflüssig. Pumpen- und ventilatorenlose Anlagen sind für Entwicklungsgebiete wegen der Zuverlässigkeit und Wartungsarmut sehr wertvoll.

Der Adsorptionskühler erfordert bekanntermaßen einen Wassersammelbehälter (21) (mit zuge hörigen Bedienventilen am Ein- und Austritt - in Fig. 1 nicht dargestellt) zur Wassersammlung der Kondensation am Tage. Wird dieser Behälter (21) incl. Ventilen direkt über dem Kühlschrank angeordnet, befinden sich alle Bedienelemente für Kühlung, Kaltwasser KW, Heißwasser HW und Warmwasser WW in einer Bedienebene, was leichte und zuverlässige Bedienung sichert!

Claims

1. Versorgungssystem (VS) zur Speisenkühlung u/o Heißwasserversorgung u/o Trinkwasserbereitstellung, bestehend aus den Hauptbaugruppen Solar-Adsorptionskühler u/o Solar-Heißwasserbereiter u/o Solar-Feuchtluftdestillator, dadurch gekennzeichnet, daß die funktionsbestimmenden Anlagenteile wie Solarkollektoren, Kondensatoren, Speicher usw. so zueinander angeordnet und funktionell verbunden sind, daß zusammen mit der solaren Energiezufuhr am Tag gemeinsam mit der nächtlichen Abkühlung Medienbe wegungen aufgrund der physikalischen Gesetze von selbst stattfinden können, wodurch Autarkie im Inselbetrieb ermöglicht wird.

2. VS nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserraum des Adsorptionskühlers als topfförmiger Speicherraum, den eigentlichen Kühlraum umschließend, ausgeführt wird, wobei zur Erreichung der erforderlichen Eisspeicherwirkung zwecks Überbrückung der Tagzeit das Volumen des obenliegenden "Topfbodens" V_B zu dem Volumen V_M des nach unten zeigenden "Topfmantels" ein Verhältnis V_B : V_M < 2,5 aufweisen sollte.

3. VS nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die solare Heißwasserbereitungsanlage

a) aus einem Kollektor mit 2 Funktionsteilen besteht, nämlich den der Wasseraufheizung dienenden eigentlichen Solarkollektoren und einem mit ihnen verbundenen Luftspeicher raum, der das nächtliche Einsaugen der am Tag zu erwärmenden Kaltwassermenge ermöglicht sowie
b) über rückströmverhindernde Armaturen verfügt, die das selbsttätige Füllen/Entleeren der Anlage ermöglichen, vergleiche Fig. 1 oder 2.

4. VS nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle gemeinsam vorhandenen Adsorptionskühlers und Feuchtluftdestillators der Kondensator des Adsorptionskühlers im unteren Teil des Gradierwerkes (Rieselturmes) des Destillators angeordnet und vom Rieselwasser des Destillators mit überrieselt wird.

5. VS nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle gemeinsam vorhandenen Heißwasserbereiters und Feuchtluftdestillators der Auffangbehälter für Kondensat des Destillators gleichzeitig die Funktion des Kaltwasserbehälters des Heißwasserbereiters übernimmt, wobei die Höhenanordnung so zu wählen ist, daß freie Strömung ohne Pumpe gewährleistet ist.

6. VS nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle gemeinsam vorhandenen Heißwasserbereiters und Adsorptionskühlers die Kollektorelemente des Adsorptionskühlers eine Kühlschlange erhalten, die - von zu erwärmendem Wasser durchflossen - der (abendli chen) Adsorbens-Kühlung dienen.

7. VS nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von 2 oder 3 der in Anspruch 1 genannten Hauptbaugruppen die Solarkollektoranlage als einheitliches technisches System aus gleichen Kollektorelementen ausgeführt wird, wobei die Innenrohre der Elemente für den Adsorptionskühler die Adsorbensfüllung erhalten.

8. VS nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Luftkreislauf des Feucht luftdestillators Klappen zur Atmosphäre unterhalb und oberhalb des Rieselraumes eingebaut werden, um bei Nichtbetrieb des Destillators den Rieselturm infolge Kaminwirkung zur Erzie lung einer freien Strömung zu nutzen.

9. VS nach Anspruch 1 bei mindestens vorhandenem Feuchtluftdestillator, dadurch gekennzeich net, daß die Umwälzpumpe durch einen warmluftbetriebenen Stirlingmotor angetrieben wird, indem die Warmluft in einem 4. Solarkollektorteil erzeugt wird mit Einordnung dieses 4. Kol.