Solare Klimatisierung/Kühlung. Potentiale und Technologien zur solaren Kälteerzeugung

Inhaltsverzeichnis

Symbolverzeichnis Kurzfassung en

1. Warum klimatisieren - warum mit Warme?
1.1. Anforderungen an die Raumluft
1.2. Innere-undauftereWarmelasten
1.3. SolareKalteerzeugungundKuhlung
1.4. GeschichtlicherRuckblick-Einfluss derArchitektur

2. Markt fur solares Kuhlen
2.1. Bedarfsbetrachtung weltweit
2.1.1. Kuhl-Volllaststunden
2.1.2. WeicheFaktorenfurdenKuhlbedarf
2.1.3. Harte FaktorenfurdenKuhlbedarf
2.1.3.1. Beispielmarkt-Brasilien
2.1.3.2. Beispielmarkt - Danemark
2.1.4. Grenzender Bedarfsbetrachtungweltweit
2.2. Markt Kompressionskaltemaschinen
2.3. MarktfurSolarthermie
2.3.1. Gesamtmarktvolumenund-verteilung beiderSolarthermie
2.3.2. MarktentwicklungSolarthermie
2.3.3. Solarthermie fur solares Kuhlen
2.4. Markt fur solares Kuhlen
2.5. Wirtschaftlichkeit solarer Kuhlsysteme

3. TechnologienzurKalteerzeugungundKlimatisierung
3.1. Kreisprozesse
3.1.1. CarnotProzess alsidealerrechtssinnigerKreisprozess
3.1.2. Idealer,linkssinnigerKreisprozessfurKaltemaschinen
3.2. TechnischeVerfahrenzursolarenKaltebereitstellung
3.3. Energetischer Vergleich von Kaltemaschinen mit mechanischem und thermischem Antrieb
3.3.1. EnergetischeVerhaltnissefureineKompressionskaltemaschine
3.3.2. Energetische Verhaltnisse fur eine thermisch angetriebene Kaltemaschine
3.3.3. UbersichtzurGegenuberstellungderenergetischenVerhaltnisse
3.4. Funktionsweise einer Kompressionskaltemaschine
3.5. Funktionsweise einer Absorptionskaltemaschine
3.6. Prinzipielle Funktionsweise fur das geschlossene Verfahren einer Adsorptionskalteanlage
3.7. Solar Kollektoranlagen
3.8. GegenuberstellungderGesamteffizienzvonKalteanlagen

4. Resumee
4.1. ForschungundEntwicklung
4.2. Ausblick

I. Quellverzeichnis

II. Abbildungsverzeichnis

V. Anlagen
Anlage 1 - Marktteilnehmer fur Solares Kuhlen
Anlage 2 - Zustandsanderungen Kreisprozess
Anlage 3 - Arbeitsmittel fur den Kalteprozess
Anlage 4 - Technische Planungstypologien

Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abstract

The worldwide share of power consumption associated with room climatisation and cooling is constantly rising. Reason for this are conventional cooling units that draw their required driving energy from the public enectricity grid. In contrast, the global solar radiation can be tranformed into electricity or heat as alternative driving energy for cooling processes. The potentials and technologies of this opportunity are analyzed in detail in this master-project.

To convert solar radiation into a usable form of energy for solar assisted air-conditioning and cooling (refrigeration) processes, solar heat and photovoltaics are fully developed technologies. For a useful air conditioning there are different systems available on the market according to the state of the art. Electricity generated by solar thermal or photovoltaics can drive a compression chiller, which turns out as uneconomical use of the solar energy. The thermal-driven mechanism of sorption-chillers is deemed to be the most promising alternative. For thermal-driven chillers particularly the processes of absorption and adsorption have been enforced for refrigeration. Today large scale chillers are offered by different manufacturers and against the background of governmental grants found their customers. There is still a need of research and development for small scale systems before beeing competitive to conventional systems.

Depending on the location, the solar radiation is limited by geographical conditions. The higher annual solar coverage at each location is, the smaller the dimensioning of the collector field are, which makes up to 50% of total costs. Through the world's various average outside air temperatures, as well as social and architectural differences, there also is not everywhere the same demand for technically provided full load cooling hours.

Taken into account to the constellation of general conditions for solar cooling, potentials in developing of the worldmarket as well as technologies in this range - this master-project gives us an complete prospect on solar air conditioning/cooling resulting in a glance into the future.

Resume

La part de la consommation d'electricite utilisee pour la climatisation et le refroidissement augmente constamment dans le monde. Cette consommation est surtout due a l'utilisation de machines conventionnelles qui prend son energie sur le reseau electrique public. L'energie solaire, par transformation en electricite, respectivement en chaleur, peut par ailleurs etre utilisee comme energie d'entrainement pour la refrigeration. Le potentiel et les technologies pour atteindre ce but sont traites dans ce travail de master.

La transformation de l'energie solaire en une forme d'energie utile pour la climatisation et le refroidissement peut etre realisee avec les technologies du solaire photovoltaique ou thermique. On peut faire fonctionner un climatiseur a compression a l'aide d'electricite creee a partir de capteurs photovoltaiques ou solaires thermiques, mais cela constitue la maniere la moins avantageuse d'utiliser l'energie du soleil. Les installations thermiques de sorption sont une alternative prometteuse.

Des appareils de grande puissance sont actuellement proposes par differents producteurs et trouvent preneur, grace au soutien des pouvoirs publics. Concernant les appareils de plus petite categorie, il est encore necessaire de poursuivre les recherches.

En fonction de la zone geographique, il existe des limites dans l'intensite du rayonnement solaire. Ainsi, la quantite d'ensoleillement se repercute sur le dimensionnement des collecteurs, qui representent jusqu'a 50% des couts totaux. De meme, les differences climatiques, sociales et architecturales dans le monde font qu'il n'y a pas la meme demande de technologie de refroidissement.

Ce travail de master decrit le contexte du refroidissement par l'energie solaire. En faisant un tour d'horizon de cette problematique, il traite du potentiel de ces systemes sur les marches mondiaux, et termine par des considerations sur l'avenir de cette technologie.

Kurzfassung

Der Anteil des Stromverbrauchs, der Raumklimatisierung und -kuhlung zukommt, steigt weltweit stetig an. Der Verbrauch ist dabei dem Einsatz von konventionellen Kaltemaschinen geschuldet, die ihre Antriebsenergie aus den offentlichen Stromnetzen beziehen. Im Gegensatz dazu lasst sich auch die globale Sonneneinstrahlung durch Umwandlung in Elektrizitat bzw. Warme als Antriebsenergie fur Kalteprozesse nutzen. Die Potentiale und Technologien zu diesem Zweck behandelt diese Masterprojektarbeit.

Zur Umwandlung der Sonneneinstrahlung in eine nutzbare Energieform fur solar unterstutzte Klimatisierungs- und Kuhlprozesse liegen heute mit der Photovoltaik und Solarthermie ausgereifte Technologien vor. Fur eine nutzliche Raumluftkonditionierung sind nach heutigem Stand der Technik sehr unterschiedliche Systeme einsetzbar. Mittels photovoltaisch oder solarthermisch erzeugter Elektrizitat kann eine Kompressionskaltemaschine angetrieben werden, was die unwirtschaftlichste Variante zur Nutzung der solaren Primarenergie darstellt. Der thermische Antrieb von Sorptionsanlagen gilt als hoffnungsvollste Alternative. Bei den thermisch angetriebenen Kaltemaschinen haben sich insbesondere die Prozesse der Absorption und der Adsorption zur Kalteerzeugung durchgesetzt. Gerate grofterer Leistungsklassen werden mittlerweile von verschiedenen Herstellern angeboten und finden vor dem Hintergrund staatlicher Forderung Ihre Abnehmer. Bei Geraten kleiner Leistungsklassen besteht weiterhin grofter Forschungsbedarf.

Je nach Standort sind durch geografische Gegebenheiten naturliche Grenzen des Sonnenangebots vorhanden. Je hoher der jahrliche solare Deckungsgrad am jeweiligen Standort ist, desto kleiner fallt entsprechend die Auslegung des Kollektorfeldes aus, das bis ca. 50% der Gesamtkosten ausmacht. Durch die weltweit verschiedenen mittleren Auftenlufttemperaturen, sowie gesellschaftliche und architektonische Unterschiede herrscht zugleich nicht allerorts die gleiche Nachfrage nach technisch bereitgestellten Kuhlvolllaststunden.

Uber Ausfuhrungen zu den generellen Rahmenbedingungen fur solares Kuhlen, uber die Potentiale fur die weltweite Marktentwicklung der Systeme bis hin zu den Technologien in diesem Bereich erschlieftt diese Masterprojektarbeit eine ganzheitliche Sicht zum Thema solare Klimatisierung/Kuhlung und schlieftt mit einem Ausblick in deren Zukunft ab.

1. Warum klimatisieren - warum mit Warme?

Der Absatz von konventionellen Klimageraten nimmt weltweit stetig zu und mit ihm der Stromverbrauch.

Steigende Komfortanspruche, ein sich global veranderndes Klima, ein starkes Wirtschaftswachstum insbesondere in den Schwellenlandern Asiens, vermehrter Glaseinsatz im Bau moderner Gebaude sowie die rasche Zunahme der Weltbevolkerung sind nur einige Grunde. In mehreren Staaten, wie z.B. Italien oder Kalifornien, fuhrte der ansteigende Stromverbrauch bereits mehrfach zu Uberlastungen und letztlich zum Zusammenbruch der Stromnetze. In den Schwellenlandern Asiens, mit hohen Durchschnittstemperaturen und Luft-feuchte versucht man mit dem Ausbau der Stromnetze dem Wirtschaftswachstum schritt zu halten (Abb.1.1). Dennoch sind Stromausfalle in Millionen-Metropolen wie beispielsweise Ho Chi Minh City oder Phnom Penh nahezu an derTagesordnung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1.1. Versorgungsnetz in Ho Chi Minh City, Vietnam 2010

1.1. AnforderungenandieRaumluft

In der Gebaudeplanung, insbesondere fur Produktionshallen in der Industrie, Buro- und Geschaftsgebaude sowie offentlichen Einrichtungen, nimmt die Klimatechnik einen wichtigen Stellenwert ein. Klimatechnik beeinflusst die Energieeffizienz und die Betriebskosten eines Gebaudes.

Moderne Klimatisierungstechnik bietet auf die jeweiligen Anforderungen genau abgestimmte Losungen. Technische Einrichtungen und von Menschen genutzte Raume stellen unter- schiedliche Anspruche an das Raumklima. Fur diese differierenden Anforderungen wurden jeweils spezielle Gerate entwickelt: Prazisionsklimagerate fur Technikapplikationen und Komfortklimagerate fur die Humanklimatisierung.

Komfortklimagerate regeln die Temperatur und Luftfeuchte innerhalb eines als angenehm empfundenen Rahmen. Sie finden ihren Einsatz vor allem in Buros und anderen von Menschen genutzten Raumen.

Ob wir das Klima in einem Raum als behaglich empfinden hangt von zwei Groften ab - der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit. Abhangig von diesem Wertepaar lasst sich also ein Bereich definieren, innerhalb dessen der Luftzustand von der Mehrheit der Menschen als behaglich empfunden wird (Abb. 1.2).

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Abb. 1.2. Behaglichkeitsfeldfurdas WertepaarRaumlufttemperatur/relativeLuftfeuchte[1]

Abbildung 1.2. konnen wir entnehmen, dass sich die Mehrzahl der Menschen beispielsweise bei einer Raumtemperatur von 20°C und einer relativen Luftfeuchte zwischen 40 und 60% am wohlsten fuhlt. Je hoher die Lufttemperatur, desto eher werden hohe relative Luftfeuchtigkeiten als unbehaglich empfunden. Dies verdeutlicht, dass sich Behaglichkeit nicht in erster Linie uber die Raumtemperatur definiert, sondern immer in Korrelation zur Luftfeuchtigkeit zu sehen ist. Wie sehr die empfundene Lufttemperatur bei zunehmender Luftfeuchtigkeit von der tatsachlichen abweicht, lasst sich vereinfacht durch den Humid- Index [Abb. 1.3.) darstellen.

Die von uns empfundene oder gefuhlteTemperatur lasst sich wie folgt berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.3. Humidindexfrom temperature and relative humidity readings[2]

Die Humidex-Temperatur betragt z.B. 28°C bei einer Raumkondition von 26°C/40% relativer Feuchte. Steigt die Luftfeuchtigkeit bei einer gleich bleibenden Temperatur von 26°C auf 70% an, betragt die gefuhlte Temperatur bereits 33°C.

Prazisionsklimagerate eignen sich z.B. fur Server- oderTechnikraumen. Sie sind in der Lage grofte Warmelasten abzufuhren unter exakter Einhaltung der Raumlufttemperatur und Raumluftfeuchte. Die Anforderungen an das Raumluftklima werden durch Technische Gegebenheit bestimmt. Technische Applikationen erfordern die Einhaltung genauer Raumtemperaturen und, zur Vermeidung elektrostatischer Aufladungen, in der Regel Raumluftfeuchtigkeiten mit engen Grenzwerten. Zulassige Raumluftbedingungen sind unter anderem in der VDI 2054 beschrieben.

1.2. Innere- und auftere Warmelasten

Die wesentliche Aufgabe der Klimatisierungstechnik ist die Einhaltung der Raumtemperatur und Raumluftfeuchte von Raumen und Gebauden.

Die dabei auftretende Kuhllast ist eine aus dem Raum konvektiv abzufuhrende Warmelast, die notwendig ist, um einen gewunschten Raumluftzustand zu erreichen oder einzuhalten.

Der Hauptanteil der Kuhllast kommt ublicherweise aus der solaren Einstrahlung, sowie der Warmeeinleitung uber die Hullflache des betrachteten Raums aufgrund hoher Auftentemperaturen. Zusatzlich sind speziell aus Buros und gewerblichen Raumen hohe interne Lasten durch PCs, Leuchten, Kopierer usw. abzufuhren.

Grundsatzlich setzt sich die Kuhllast aus zwei Anteilen zusammen: den sensible Kuhllast die einen Einfluss auf die Raumtemperatur und unser Empfinden haben und die latente Kuhllast, die einen Einfluss auf die Raumluftfeuchte haben. Die sensible Kuhllast [Abb. 1.4.) setzt sich aus sogenannten inneren und aufteren Lasten Zusammen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.4. VereinfachteDarstellungzu den Ursachen derKuhllastbei Gebauden[3]

Unter der aufceren Kuhllast versteht man die solare Einstrahlung [z.B. bei transparenten Bauteilen), das eindringen warmer Auftenluft durch die Gebaudehulle sowie die Warmeleitung im Wandaufbau. Sie Bilden im Wesentlichen die zyklischen Kaltelasten im Tag- Nacht-Rhythmus [Abb. 1.6).

Unter der inneren Kuhllast versteht man Warmequellen, die durch Energieumwandlungs- prozesse im inneren des betrachteten Raumes oder Gebaudes entstehen. Dazu gehoren z.B. Warmeabgabe durch Personen, Maschinen, Beleuchtung und chemischen Reaktionen sowie Warmestrome aus Nachbarraumen.

Latente Warmelasten sind durch die Freisetzung von Wasserdampf im Raum bedingt. Diese ist nicht spurbar, da sich der Raum nicht umgehend durch sie erwarmt. Es handelt sich dabei um den Anteil der Enthalpie des in der Raumluft enthaltenen Wasserdampfes. Einerseits wird Wasserdampf durch Personen an die Raumluft abgegeben und anderseits konnen weitere Feuchte-Quellen [z.B. Kuche) zu einer Erhohung der Raumluftfeuchte beitragen. Liegt die Feuchte der zugefuhrten Auftenluft oberhalb der gewunschten Raumluftfeuchte [absolute Feuchte) kommt es zu Kondensation. Die enthalpisch gespeicherte Warmeenergie des Wasserdampfes wird freigesetzt, und fuhrt dem Raum Energie zu, die jetzt zu einer Erwarmung und somit zu einer zusatzlichen Leistungsbedarf der Klimaanlage fuhrt.

Bisher werden fur die Gebaudeklimatisierung hauptsachlich elektrisch betriebene Kompressionskaltemaschinen eingesetzt, die einen umso hoheren Energiebedarf haben, je warmer die zu kuhlende Luft ist und der vornehmlich zu Spitzenzeiten abgerufen wird.

Die fruher ozon-schadigenden Kaltemittel dieser Anlagen konnten durch FCKW-freie Ersatzstoffe substituiert werden, die jedoch auch nicht grundsatzlich unproblematisch fur das Erdklima sind.

Da die Klimatisierung von Raumen und Gebauden nicht nur energetisch aufwendig sondern auch kostenintensiv ist, sollte die Kaltelast auf jeden Fall reduziert werden.

Bei der Betrachtung der inneren Warmelasten ist beispielsweise der Einsatz von Geraten mit geringem Stromverbrauch sinnvoll. Hinsichtlich der aufteren Lasten ist ein sommerlicher Warmeschutz z.B. in Form einerVerschattungseinrichtung sinnvoll.

1.3. Solare Kalteerzeugung und Kuhlung

Global betrachtet, kann zwischen Klimazonen mit hohem Kuhl- bzw. Klimatisierungsbedarf und Klimazonen mit einem hohen Heizenergiebedarf unterschieden werden [Abb. 1.5.).

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Abb. 1.5. Klimazonen derErde[4]

Tropische (rot), subtropische Klimazone (gelb) sowiegemaftigte Zone, Subploargebiete und Polar-gebiete (graustufen)

Im Gegensatz zur solaren Heizungsunterstutzung ist die solare Klimatisierung ein gunstiger Bereich der Sonnenenergienutzung. In Klimazonen mit hohem Klimatisierungsbedarf steht im Allgemeinen auch uberdurchschnittlich viel Sonnenenergie zur Verfugung.

Die Ubereinstimmung zwischen Strahlungsangebot und Kuhllast fur ubliche Wohn- und Burogebaude liegt zum einen am saisonalen Verlauf wie auch grofttenteils im Tagesverlauf (Abb. 1.6.). Sonnenenergie steht also immer dort zur Verfugung, wo eine Klimaanlage betrieben werden soll.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1.6. Angebot und Bedarfsolarer Warme[5]

Der blaue Kegel in der Mitte der Abbildung stellt den Kaltebedarf fur ein Wohn- /Burogebaude dar, die gelbe Parabe den solaren Ertrag aus den Sonnenkollektoren und die rote Parabel den Heizwarmebedarf.

Demnach wurde man zur Darstellung des Kuhlbedarfs fur ein Kuhl- oder Lagerhaus anstatt eines Kegels eine horizontale Linie (konstante Temperatur uber das ganze Jahr) sowie der Wegfall rote Parabel (Heizwarmebedarf) verwenden. Der solare Ertrag (schraffierte Flache unter der gelben Parabel) bleibt identisch.

Bei genauerer Betrachtung folgt allerdings der Klimatisierungsbedarf der Strahlung mit einer Verzogerung, da die Umwelt und das Gebaude durch ihre Warmekapazitat thermisch trage sind. Im Tagesgang ist die hochste Einstrahlung am astronomischen Mittag (in Deutschland ca. 13:15 Uhr Sommerzeit), die hochste Temperatur aber am Nachmittag (gegen 15:00 Uhr). Im Jahresgang ist die intensivste Einstrahlung auf der Nordhalbkugel am 21. Juni, die heiftesten Tage folgen je nach lokalem Klima Mitte bis Ende Juli. Dennoch kann in der Dimensionierung von einer starken Korrelation zwischen Strahlung und Erwarmung ausgegangen werden. Aufgrund der Tragheit des Baukorpers liegt die zeitliche Verschiebung zwischen Antriebsenergie (Sonne) und Kuhllast des Gebaudes abhangig von der Warmekapazitat des Baukorpers zwischen 1 und 3 Stunden und kann uber geeignete Puffer (z.B. Heiftwasserpuffer) oder uber Baukorperaktivierung abgefangen bzw. absorbiert werden. Die Warmekapazitat eines Baukorpers beeinflusst die Kuhllast und hat demnach einen wesentlichen Einfluss bei der Auslegung der Kuhlleistung einer Anlage. In der Praxis ist es so, dass die solare Einstrahlung nicht durchgangig zur Verfugung steht.

Soll also die Kuhlleistung auch dann erbracht werden konnen, wenn kein Strahlungsangebot zur Verfugung steht, so ist eine zweite Warmequelle notig (z. B. Fernwarme oder Gasbrenner), mit dem die eingebaute Kaltemaschine ebenfalls angetrieben werden kann. Weiterhin ist ein Warmespeicher zum Uberbrucken kurzfristiger Versorgungspasse zweckmaftig.

1.4. Geschichtlicher Ruckblick - Einfluss der Architektur

Im Abschnitt 1 haben wir kurz unsere heutige Situation mit ihrer Problematik aufgezeigt. Raumlufttechnische Anlagen - gleich welcher Art - benotigen Energie zum Absenken der Temperatur und zur Entfeuchtung der Raumluft. Ferner erhohen sie das Investitionsvolumen und die Wartungskosten eines Gebaudes.

Es liegt nahe, dass die Losung fur den weltweit rasch ansteigenden Kuhlbedarfs in der Minimierung oder gar Vermeidung dessen liegt.

Dennoch ist es in vielen Fallen notwendig, aktive Systeme zur Regelung von Temperatur und Raumluftfeuchte einzusetzen. In Warenhausern, Kongresszentren, Theatern usw. lasst sich ein behagliches Raumklima in der Regel nur mit raumlufttechnischen Anlagen zuverlassig aufrecht erhalten.

Grundsatzlich wirft sich dennoch die Frage auf, wie es zu einer solchen Entwicklung kommen konnte. Haben wir etwa in unserer hochtechnologisch entwickelten Gegenwart schlichtweg verlernt Gebaude energetisch sinnvoll zu bauen (Abb. 1.7.)?

Schon immer nutzten Menschen verschiedenste Konzepte um Umwelteinflusse abzuwehren und sich dabei trotzdem in einem geschutzten Innenraum aufhalten zu konnen. Abhangig von klimatischen, geographischen sowie kulturellen Rahmenbedingungen entwickelten sich beispielsweise in Nordafrika sogenannte Atriumhauser die spater auch das romische und griechische Landhaus pragte.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.7. DieStadtDjennein Mali und die NorddeutscheLandesbank Hannover[6][7]

Nordafrika befindet sich zum grofttenteils in einer subtropischen Wuste {Abb. 1.8.).

Die Niederschlagsmenge ist verschwindend gering, damit auch die Luftfeuchtigkeit niedrig, der Himmel ist fast immer wolkenlos und die sowohl saisonalen wie auch taglichen Temperaturschwankungen sind sehr groft.

Im Landesinneren erreichen die Hochsttemperaturen 40°C im Juli und im Januar 20-24°C. Im Winter konnen nachts Temperaturen nahe am Gefrierpunkt auftreten. In Richtung Kustengebiete herrscht vorwiegend mediterranes Klima mit trockenen Sommermonaten und feuchten Wintermonaten. Die sommerlichen Temperaturen liegen zwischen 28-30°C und im Januarbei 12-14°C.

Die Speicherwirkung des Meeres verursacht in den Sommermonaten durch seine Meeresbriese etwas Kuhlung. Im Fruhjahr konnen trockene, heifte und mit Sand beladene Wustenwinde {Schirokko, Chamsin) auftreten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.8. Vegetationszonen derErde[8]

Die stadtebauliche Struktur {Abb. 1.9.) unterscheidet sich ganzlich von Vorstellungen. Die Stadte wirken geradezu kompakt. Grundstucke werden ohne Grenzabstande und Freiflachen bebaut. Straften und Gassen sind nicht breiter als notig und nur selten fallt ein Sonnenstrahl hinein. Oftmals ragen die Dacher der Hauser in den Straftenraum hinein und uberbauen ihn somit. Breite Gassen werden mit Schilfmatten oder Stoffbahnen uberspannt. Aufgrund der hohen Sommerlichen Temperaturen sind grofte Platze oder Parks unublich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.9. Vergleich stadtebaulicherKonzepte, links: Nordafrika, rechts: Deutschland[9][10]

Zur Reduzierung der Warmelasten wird versucht das Gebaude vor direkter Sonneneinstrahlung zu schutzen. Die Mantelflache des Gebaudes wird durch die zuvor erlauterte dichte Bebauung sowie Uberdachung enger Gassen vor direkter Sonneneinstrahlung geschutzt. Fenster werden moglichst klein gehalten. Die Warmelast aus der Dachflache wird durch Stapeln der Raume verringert.

Nicht selten haben Lehmgebaude in Nordafrika vier und mehr Stockwerke. Die verschiedensten Stockwerke werden dabei multifunktional genutzt. In der Praxis bedeutet dies, wird es im Sommer unter dem Flachdach zu heift, zieht man fur einige Monate ein Geschoss tiefer. Das Raumverstandnis ist ein anderes - wir wurden es multifunktional nennen.

Der fur die Auftenwande verwendete Lehm ist eine Mischung aus Ton und Schluff der teilweise mit Stroh oder Dung gemischt wird. Lehm kann in vielen Regionen Nordafrikas vor Ort entnommen werden. Er ist schadstofffrei, konserviert Holz und weist Schadlinge im konservierten Zustand ab. Bei seiner Verarbeitung wird sehr wenig Primarenergie verbraucht und ist vollstandig recycelbar.

Aufgrund der hohen Warmekapazitat sind Lehmwande in der Lage Temperaturunterschiede auszugleichen. Lehm hat eine hohe spezifische Warmekapazitat und sorgt die Amplitudendampfung und Phasenverschiebung fur ein ausgeglichenes und gesundes Raumklima.

Die massive Speichermasse der Wande, Decken und Boden kuhlen nachts aus und nehmen tagsuber die Warme auf.

Optimal fur das trockene, heifte Klima sind Keller oder Hohlen, die sich annahernd auf die Jahresdurchschnittstemperatur einpendeln.

Die umbauten, schattigen Raume des Atriumgebaudes kommen dem aber sehr nah. Auch die Luftfeuchtigkeit wird stabilisiert, da Lehm Feuchtigkeit speichert und langsam aufnimmt bzw. abgibt.

Decken und Wande werden genau so dick gebaut, dass die Warme ca. 8-12h braucht um sie zu durchdringen. Es ist also ein konstruktiver Balanceakt das richtige Verhaltnis aus Material und Materialstarke zu finden.

Eine Schwierigkeit bei einer solch kompakten Bauweise ist die Bereitstellung einer ausreichenden Beluftung. Entsprechende Beluftungskanale bieten hier eine Losung. Dabei wird die Zuluft durch die kalte Innenseite der Wande und z.B. feuchte Wasserkruge (adiabat) gekuhlt und befeuchtet.

Wir sehen also, dass durch die autochthone Bauweise ein effektives Gesamtsystem entsteht. Durch das Verstehen und Anwenden verschiedenster physikalischer Grundprinzipien schafft man in diesen Gebauden ein gesundes und behagliches Wohnklima - ganz ohne zusatzliche aktiver Kuhlsysteme.

Werfen wir jetzt noch einmal den Blick nach Europa, so verstehen wir unter einem Gebaude, welches aufgrund seiner guten Dammeigenschaften sowohl im Winter als auch im Sommer keine klassische Heizung oder Kuhlung benotigt - ein Passivhaus. Einem Standard also dem wir uns nun langsam mittels verschiedenster politischer Rahmenbedingungen in Form von Marktanreizprogrammen und Verordnungen versuchen anzunahern.

Eines der groften Probleme die es zur Umsetzung dieser Ziele gibt sind die hoheren Baukosten. Weltweit betrachtet kommt erschwerend ein fehlendes Verstandnis fur die Problematik sowie fehlendes Know-how zur Einfuhrung energetischer Gebaudestandards zur Reduzierung von Warme- und Kuhllasten und somit zur Minimierung des CO2-Ausstoftes hinzu.

In Kapitel 2 werden wir anhand von verschiedenen Statistiken sehen, dass der weltweite Kuhlbedarf rasant ansteigt und mit ihm der Energiebedarf. Deshalb brauchen wir Losungen fur Kuhlsysteme die mit regenerativen Energiequellen betrieben werden.

2. Markt fur solares Kuhlen

Um den Markt fur solares Kuhlen zu erschlieften, sind vier Aspekte von besonderer Bedeutung. Nur bei einer gleichzeitigen Betrachtung dieser vier Aspekte fur jeden einzelnen Markt (bzw. jedes Land) kann eine umfassende Bewertung fur solares Kuhlen stattfinden. Zum einen besteht fur solares Kuhlen besonders bei warmen Klima, viel Sonnenschein und guter Haushaltskasse Bedarf. Zum Zweiten konkurrieren solare Kuhlanlagen direkt mit den seit langem marktetablierten Kompressionskaltemaschinen. Zum Dritten bestehen solare Kuhlanlagen aus mehreren besonderen Baukomponenten (Solaranlage, Kuhlanlage, Luftverteilung etc.), die preislich von Angebot, Nachfrage und Effizienzgrad abhangen und damit die Verfugbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage beeinflussen. Viertens mussen Gesamtsystemlosungen fur solares Kuhlen im Rahmen einer Grundlagenforschung noch staatlich gefordert werden, bevor hohe Absatzzahlen Massendegressionseffekte bei ihren Kosten moglich machen oder steigende Primarenergie- und Strompreise zu einer rasantsteigenden Nachfrage fur energiesparende regenerative Technologien fuhren.

Im Folgenden soll daher zunachst der Bedarf fur solares Kuhlen gemaft globaler Rahmenbedingungen betrachtet werden. Anhand von zwei Landerbeispielen wird aufgezeigt, wie eine Marktbewertung mithilfe dieser Rahmenbedingungen moglich ist.

Danach wird auf den Markt etablierter Kompressionskaltemaschinen eingegangen, darauf auf den Markt der solarthermischen Anlagenkomponente und schlieftlich auf den Markt heutiger solarer Kuhlanlagen. Aussagen zu diesen Markten fuhren in Kombination mit den globalen Rahmenbedingungen zu einer noch aussagefahigeren Bewertung einzelner Landermarkte. Mit einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung solarer Kuhlanlagen schlieftt dieses Kapitel 2 mit einer Marktsicht vor dem Hintergrund staatlicher Forderung und zukunftigen Preisprognosen ab.

2.1. Bedarfsbetrachtung Weltweit

Nach Angaben des International Institute of Refrigeration verfallen fast 15% des weltweiten Strombedarfs auf Kuhltechnologien, dabei ist der Anteil in entwickelten Landern noch grofter[11]. In Industriestaaten werden 50% aller Lebensmittel gekuhlt aufbewahrt. In Entwicklungslandern (ca. 5 Milliarden Menschen) wird hingegen nur ein Anteil von 20% der Lebensmittel gekuhlt oder tiefgefroren aufbewahrt, was zu einer hohen Verlustrate an leicht verderblichen Lebensmitteln fuhrt, wahrend die regionale Nachfrage nach Kuhlsystemen stetig steigt[12]. In Europa dauerte es ca. 30 Jahre (1945-1975) um eine industrielle Kuhlkette zu installieren[13]. Die weltweite Nachfrage wird neben dem Bereich Lebensmittelkuhlung aber insbesondere durch die Raumkuhlung und -klimatisierung angetrieben. Die Lebensdauer konventioneller Kuhlsysteme betragt oft bis zu 20 Jahre und bei den meisten Bauobjekten ist die Anlagentechnik der Klimatechnik angepasst, was den Austausch durch energieeffizientere Technik erschwert und verteuert. Dies bedeutet auch, dass fur bestehende Industriesysteme auch noch langere Zeit Klimatechnik mit einem hohen Stromverbrauch und veralteter Technik zum Einsatz kommen wird. In Ghana beispielsweise ist die Energieeffizienz verkaufter Klimaanlagen vom Jahr 2000 bis 2005 um nur 0,7% gestiegen[14]. In Entwicklungslandern wie Ghana kommt noch dazu, dass sie keine inlandische Klimaanlagenproduktion haben und daher zumeist veraltete Anlagentechnik importieren mussen. Die Forderung besteht daher darin, fur Neuinstallationen in Exportlandern zukunftig auf Energieeffizienz, gute Wartung, Austauschbarkeit, Training und Zertifizierung von Fachpersonal und den Anlagen zu achten. Folglich geht es zukunftig auch in weniger industrialisierten Landern darum, Kapazitaten fur Kuhlung und Klimatisierung aufzubauen.

2.1.1. Kuhl-Volllaststunden

Eine markante Grofte fur die Marktbewertung fur solares Kuhlen sind die lokalen Kuhl-Volllaststunden. Die Kuhl-Volllaststunden geben Aufschluss uber die erforderlichen Zeiten der Leistungserbringung durch ein Kuhlsystem. Sie sind daher eine aussagekraftige Bewertungsgrundlage fur den regionalen Kuhlbedarf, die geforderte Leistung und die zu erwartenden Kosten eines solaren Kuhlsystems. Nicht uberall auf der Welt herrscht uber das Jahr verteilt ausreichend Kuhlbedarf, um durch viele Volllaststunden ein gutes wirtschaftliches Effizienzniveau bzw. kurze Amortisationszeiten fur solare Kuhlanlagen zu erreichen, obwohl an einigen dieser Orten ergiebig die Sonne scheint. Beispielsweise fiel uns auf, dass bei einem Hotel auf einer entlegenen Insel Sudostasiens (Sumba) - aufterhalb der Saison - kein Dauerbetrieb eines solaren Kuhlsystems gefragt ist. Man muss sich also aus Verbrauchersicht die Frage nach dem Aufwand-Nutzen-Verhaltnis entsprechend der Kuhl-Volllaststunden stellen.

Tatsachlich erreichen in Zentraleuropa Gebaude zwischen 50 bis 200 Kuhl-Volllaststunden, wohingegen in sudlichen mediterranen Gebieten uber 1.000 Volllaststunden anfallen konnen. Die Marktdurchdringung von konventionellen Kaltemaschinen ist entsprechend in Europa mit ca. 2% gegenuber 70% aller Haushalte in Japan und 55% in den USA gering[15].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.2. Weiche Faktoren fur den Kuhlbedarf

Zugleich sind die erforderlichen Volllaststunden nicht ohne Umstande zu bestimmen, da Sie insbesondere von vielen weichen Faktoren abhangen; den Gewohnheiten der Gebaudenutzer, dem Gebaudezweck, der Architektur und den klimatisch-geografischen Begebenheiten (siehe Kapitel 1.3. und 1.4.). Dabei gibt es in einzelnen Landern kulturell, sozial und wirtschaftlich ahnliche Verhaltensmerkmale und Barrieren, die bei einer Landerbewertung helfen konnen. Wie viele Rahmenbedingungen betrachtet werden mussen und wie Komplex die Frage nach den Markten der Zukunft ist, zeigt die Vielzahl der Barrieren fur neuartige Kuhltechnik in neuen Markten. Sie beeinflussen das Angebot und die Nachfrage in Landern mit theoretisch groftem Nutzen-Potential fur solares Kuhlen (insbesondere Entwicklungslander). Diese Barrieren ergeben sich dabei nicht zwangslaufig in technischer Hinsicht, sondern vielmehr nach heterogenen gesellschaftlichen Eigenarten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2. Barrierenfur die Marktneueinfuhrung von solarem Kuhlen [eigene nach [14]]

2.1.3. Harte Faktoren fur den Kuhlbedarf

Die ersten beiden harten Faktoren fur die lokal benotigten Kuhl-Volllaststunden sind die mittleren globale Solareinstrahlung an den unterschiedlichen weltweiten Standorten und die durchschnittliche Aufcenlufttemperatur, aufterdem haben beide einen Einfluss auf den Wirkungsgrad der bei solaren Kuhlen verbauten Solarkollektoren.

Lander mit hohen mittleren solaren Globaleinstrahlungswerten haben Ertragsvorteile bei der Solarfraktion von solaren Kuhlsystemen. Lander mit hohen durchschnittlichen Auftenlufttemperaturen haben zum Schaffen eines Komfortraumklimas (siehe Punkt 1.1.) oder einer industriellen Kuhlkette einen hohen Kuhl-/Klimatisierungsbedarf und daher eine gute Auslastung beim Einsatz eines solaren Kuhlsystems. Je grofter die Solaranlage, desto mehr Antriebsenergie steht dem Kalteprozess zur Verfugung, umso teurer ist jedoch auch die Anlagenkomponente zur Solarenergienutzung (und Speicherung). Da bisher nicht uberall auf der Welt „erschwinglich" Solaranlagen eingekauft oder uberhaupt beschafft (installiert, gewartet, erneuert) werden konnen, liegt hier ein deutlich begrenzender Faktor des Marktes fur solares Kuhlen. Im Gegensatz dazu sind konventionelle Kompressionskaltemaschinen in den meisten dieser Lander verfugbar und erschwinglich, wenn auch nicht uberall. Die drei weiteren harten Faktoren fur die lokale Nachgefragte fur Kuhl-Volllaststunden ergeben sich aus dieser Tatsache und mussen im Verhaltnis gesehen werden; die Einwohnerzahl (entspricht Grundgesamtheit aller potentiellen Konsumenten), der jahrliche Gesamtstromverbrauch des Landes und das Bruttoinlandsprodukt pro Einwohner des jeweiligen Landes.

Die nun folgenden drei Ubersichten veranschaulichen fur 53 Lander die Unterschiede bei der mittleren globalen Sonneneinstrahlung in kWh/m² *Jahr, die groften Unterschiede der durchschnittlichen Auftenlufttemperaturen und die landerspezifische Relation zwischen Einwohnerzahl, Gesamtstromverbrauch und Bruttoinlandsprodukt pro Kopf (fur die bessere grafische Darstellung mit 1000 Multipliziert). Danach werden alle funf harten Faktoren fur die lokalen Kuhlvolllaststunden auf die zwei Beispiellander Brasilien und Danemark angewandt, um die dortigen Markte fur solare Kuhltechnologien umfassend zu bewerten. Anhand der Beispiellander Deutschland und USA sollen dann auch die Grenzen unseres Markt-Bewertungsmodells nach den funfharten Faktoren aufgezeigt werden.

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Abb. 2.4. DurchschnittlicheAufeenlufttemperaturin 53 Landern [eigene nach [17][18]]

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Abb. 2.5. Verhaltnis zwischen Anzahl der Einwohner, B1P und Energieverbrauch [eigene nach [17][18]]

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