Titelaufnahme

Titel
New Generation Solar Heating and Cooling : Assessment and Technology Development
Weitere Titel
New Generation Solar Heating and Cooling
VerfasserNeyer, Daniel
Begutachter / BegutachterinnenStreicher, Wolfgang ; Beccali, Marco
Betreuer / BetreuerinnenStreicher, Wolfgang ; Thür, Alexander
Erschienen2018
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2018
Datum der AbgabeAugust 2018
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Solares Kühlen / Bewertung und Benchmarking / NH3/H2O Absorptionskältemaschine / NH3 Kompressionskältemaschine / Systemoptimierung
Schlagwörter (EN)solar cooling / assessment and benchmaerking / NH3/H2O absorption chiller / NH3 vapor compression chiller / system optimization
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-27778 Persistent Identifier (URN)
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Zusammenfassung (Deutsch)

Der Stromverbrauch für Klimatisierung erreichte im Jahr 2016 weltweit 20% des gesamten Strombedarfs in Gebäuden (OECD/IEA, 2018). Aufgrund des steigenden Lebensstandards, des Wirtschafts- und Bevölkerungswachstums und des Klimawandels steigt dieser schneller als jeder andere Energieverbrauch. Ohne entsprechende Maßnahmen wird sich der Bedarf an Raumkühlung bis zum Jahr 2050 nahezu verdreifachen. Neben Effizienzmaßnahmen für Geräte und Gebäude können solare bzw. erneuerbare Kühlsysteme die Umweltbelastung massiv reduzieren.

Solare Kühlung ist wegen der Gleichzeitigkeit der Kühllasten und der solaren Einstrahlung augenscheinlich eine geeignete Maßnahme. Durch den Einsatz solcher Systeme kann der steigende Druck auf die Stromnetze reduziert werden. Die einzelnen Komponenten sind zwar verfügbar, allerdings konnte sich solares Kühlen wegen der technischen Komplexität und der hohen Investitionen bisher nicht auf dem Markt etablieren. Fehlende Standards erschweren das Benchmarking gegenüber herkömmlichen Systemen. Derzeit ist eine neue Generation von solarthermischen und photovoltaisch betriebenen Systemen am Aufkommen und bieten eine hervorragende Chance in naher Zukunft solare Lösungen zu etablieren.

Um diese neuen Entwicklungen auf Systemebene zu bewerten wird im Rahmen dieser Arbeit eine einheitliche Bewertungsmethode für technische und wirtschaftliche Größen erarbeitet und definiert. Diese Methode wird in ein Bewertungstool implementiert, welches umfassende Daten unterschiedlichster Anlagenkonfigurationen und Anwendungen beinhaltet. Im Task 53 des Programms für solares Heizen und Kühlen der Internationalen Energieagentur (IEA SHC Task 53) werden die optimalen Randbedingungen der jeweiligen Technologie herausgearbeitet.

Auf Komponenten- und Systemebene wird eine NH3/H2O-Absorptions- sowie eine NH3-Kompressions-Kältemaschine für eine optimierte Betriebsweise in solaren Systemen entwickelt. Die Komponenten können sowohl in kühllast-dominierten Profilen als auch als Wärmepumpensysteme zur Warmwasserbereitung verwendet werden. Die Systemkonfigu-rationen werden mittels Simulationsstudien unter Verwendung detaillierter, kalibrierter, Modelle optimiert. Dynamische Regelstrategien und eine minimale Anzahl von Komponenten führen zu hohen technischen Standards (z. B. saisonale elektrische Arbeitszahlen größer 15), hohen Umweltvorteilen (z.B. bis zu 80% nicht-erneuerbaren Primärenergieeinsparungen) bei annehmbarer Wirtschaftlichkeit (Kostengleichheit gegenüber einer Referenz, aber auch teils geringeren Energiegestehungskosten).

Die Ergebnisse der Eigenentwicklungen passen in die Trends von 28 im IEA SHC Task 53 analysierten Anlagen. Die Analysen zeigen, dass die Anwendung, der Standort und die Systemgröße die technischen und ökonomischen Ereignisse am meisten beeinflussen. Sens-itivitätsanalysen demonstrieren den Einfluss auf die Leistungsfähigkeit solarthermischer und photovoltaisch unterstützter Systeme. Im Vergleich zu konventionellen Systemen, können Umweltvorteile bei vergleichbaren und akzeptablen Kosten erreicht werden. Es bedarf jedoch eines ambitionierten Aufschwungs, um dieses Wissen in die Praxis zu übertragen und solares Heizen und Kühlen erfolgreich zu etablieren und somit die Umweltbelastung für den steigenden Bedarf an Raumkühlung in Grenzen zu halten.

Zusammenfassung (Englisch)

In 2016, air-conditioning accounted for nearly 20% of the total electricity demand in buildings worldwide and is growing faster than any other energy consumption in buildings (OECD/IEA, 2018). The main reasons for the growth rate are rising living standards related to economic and population development. If measures are not taken to counteract this increase, the space cooling demand will almost triple by 2050. Beside the efficiency of chillers and load reduction in buildings and processes, solar and renewable driven cooling systems play a critical role in reducing environmental impact.

Solar driven cooling (and heating) is a recognized solution as the cooling loads often coincide with irradiation and components are available on the market. Through the application of solar driven systems, the excessive pressure on electrical grids could be significantly reduced, during times of peak energy demand. However, solar (thermal) cooling failed to establish on the market through the lack of knowledge in design, technical complexity and high initial costs. The lack of standards for equipment testing and for assessment not only impedes benchmarking against conventional systems, but also among different renewable technologies. A new generation of solar thermal and photovoltaic driven systems provides opportunities to establish solar (thermal) solutions in near future.

A unified technical and economic assessment method is developed to rate and benchmark these new developments at system level. The assessment tool provides a comprehensive data base of boundary conditions that are used in various configurations and applications. Under Task 53 of the Solar Heating and Cooling Program run by the International Energy Agency (IEA SHC Task 53) the available systems are used to study the boundary conditions to identify the most favorable technology.

A small-scale single-/half-effect NH3/H2O absorption chiller and a NH3 vapor compression chiller are developed for optimized solar applications and are integrated in HVAC system concepts accordingly. The components can be applied in cooling dominated profiles but can also serve as heat pump for the provision of hot water. The optimization of the entire system configuration is performed using simulation studies with detailed models, validated against laboratory measurements. Dynamic control strategies and a minimum number of components lead to high technical standards (e.g., electrical seasonal performance factors higher than 15), deliver high environmental benefits (e.g., up to 80% non-renewable primary energy savings) and are cost effective (near cost parity but also already below the costs of the reference system).

The results achieved are compatible with the trends recorded from the analysis of 28 new generation solar heating and cooling systems within IEA SHC Task 53. Trend analyses show that most are affected by the type of application, the location and the size of the system. Sensitivity analyses, built upon these results, show the influence on technical and economic performance of solar thermal and photovoltaic supported systems and highlight that environmental benefits can be achieved at comparable and probably acceptable costs compared to conventional systems. However, an ambitious boost in efficiency is necessary to transfer this knowledge into practice, to successfully provide stable and effective solar heating and cooling.

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