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Symposium Solarenergie und Wärmepumpen an der HSR

04.11.19 - An der HSR Hochschule für Technik Rapperswil fand am 30. Oktober bereits zum fünften Mal das Symposium Solarenergie und Wärmepumpen statt. Das jährlich wechselnde Fokusthema widmete sich 2019 dem solaren Kühlen. Damit wurde ein aktuelles Thema aufgegriffen: Der Klimawandel schreitet fort und Hitzewellen nehmen weltweit zu – auch in der Schweiz.

Entsprechend verwies Dr. Michel Haller vom SPF Institut für Solartechnik in seiner Begrüssung bereits auf eine Statistik von MeteoSchweiz, die zeigt, dass die Temperaturen in der Schweiz seit 1940 um 1,4 °C zugenommen haben. Die daraus resultierenden Folgen für die Zukunft stiessen auch bei den Besuchern auf reges Interesse: Die Veranstaltung war mit 150 Teilnehmerinnen und Teilnehmern sehr gut besucht. Auch die begleitende Hersteller-Ausstellung stiess auf grosses Interesse.

Zukünftiger Kühlbedarf
Wie stark der Kühlbedarf in Gebäuden aufgrund des Klimawandels zukünftig steigen wird, führte Gianrico Settembrini von der Hochschule Luzern weiter aus. Am Beispiel von vier unterschiedlichen Wohnbauten in Basel zeigte er, dass der Heizwärmebedarf je nach Gebäudestandard bis im Jahr 2060 um rund 20 bis 30 Prozent sinken wird. Dagegen wird der Klimakältebedarf bei aktuellen Neubauten auf rund 50 Prozent des Wärmebedarfs steigen. Die Klimakälteleistung wird sogar etwa doppelt so hoch liegen wie die Heizleistung. Dabei kommt es sehr stark auf das Nutzerverhalten der Bewohnerinnen und Bewohner an, insbesondere in Bezug auf Fensterlüftung und Nutzung der Verschattung.

Settembrini plädiert daher für einen Paradigmenwechsel von der reinen Ausrichtung auf Winterbetrachtung (Heizwärme) verstärkt auch auf eine Sommerbetrachtung (Behaglichkeit). Dies muss frühzeitig bereits im ersten Gebäudeentwurf einbezogen werden. Dabei kann von der traditionellen Bauweise in südlichen Ländern gelernt werden. Beispielsweise kann über die Ausrichtung und Grösse von Fensterflächen viel erreicht werden. Auch eine gute Nachtauskühlung wird zukünftig immer wichtiger. Bei frühzeitiger Berücksichtigung des Raumklimas in der Planung und optimalem Nutzerverhalten werden neue, gut geplante Wohnbauten in Basel voraussichtlich auch zukünftig keine aktive Kühlung benötigen.

Möglichkeiten der solaren Kühlung
Einen Überblick über die verschiedenen Technologien der solaren Kühlung gab Daniel Neyer von Neyer Brainworks. Die Spannweite der Möglichkeiten ist beeindruckend, wobei die Ausgangspunkte thermische Solarkollektoren oder Photovoltaikmodule betrachtet wurden. Zunächst sollten allerdings Effizienz- und Optimierungspotentiale ausgenutzt werden, bevor die Planung einer solaren Kühlung erfolgt, so Neyer. Die Wahl der Technologie hängt dabei von verschiedenen Faktoren wie der Anwendung oder dem Standort ab.

Generell ist für kleinere Anlagen eher eine Photovoltaikanlage in Kombination mit Kompressionskälteanlagen geeignet. Für grosse Anlagen in Gebieten mit viel Solarstrahlung kann hingegen eine Kombination aus Solarthermie und Sorptionskühlung vorteilhaft sein. Eine Betrachtung der Lebenszykluskosten zeigt, dass bereits heute viele Anlagen wirtschaftlich sind. Der Kühlbedarf wird laut Neyer vor allem in Ländern wie Indien oder China stark steigen, weshalb ein Know-how-Transfer in solche Länder sehr wichtig sei.

Kühlen mit Solarthermie und PVT-Kollektoren
Im weiteren Verlauf der Tagung wurden einzelne der verschiedenen Möglichkeiten des solaren Kühlens näher betrachtet. Zunächst stellte André Breuer von der Firma S.O.L.I.D. solarthermisches Kühlen vor. Breuer berichtete aus der Praxis, was bei der Auslegung und im Betrieb der Anlagen zu beachten ist. Beispielsweise sollte die Nominalleistung doppelt so hoch sein wie die gewünschte Kälteleistung, da dies dem COP (Leistungskennwert) zugutekommt. Breuer stellte verschiedene realisierte Systeme vor. Diese wurden vor allem in Regionen mit hohem Kühlbedarf realisiert, zum Beispiel in Singapur. Die für die Kühlung zusätzlich zur thermischen Antriebsenergie benötigte elektrische Energie beträgt bei den betrachteten Anlagen im Schnitt nur ein Fünftel bis ein Fünfzehntel der zur Verfügung gestellten Kühlenergie. Bei den Anlagenkosten konnten deutliche Reduktionen erzielt werden. So konnten die Systemkosten von der ersten Anlage 2011 bis zur letzten 2017 um rund 70 Prozent reduziert werden.

Ulrich Leibfried von der Firma Consolar stellte ein neues System zum Kühlen mit kombinierten photovoltaisch-thermischen (PVT) Kollektoren und Wärmepumpe vor. Er brachte sowohl erste Simulations- als auch Testresultate mit. Im präsentierten System werden PVT-Module mit erweiterten Wärmetauscher-Flächen auf der Rückseite eingesetzt. Diese Wärmetauscher dienen der Wärmepumpe zur Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft im Heizbetrieb, und zur Wärmeabgabe im Kühlbetrieb. Die ersten Testergebnisse zeigen, dass der Kühlbetrieb mit nur geringem Mehraufwand im Vergleich zum reinen Heizbetrieb gut funktioniert.

Kühlen mit Photovoltaikanlagen: Forschung und Praxis
Im dritten Teil der Veranstaltung präsentierten zunächst Paul Gantenbein und Lukas Omlin vom SPF Simulationsergebnisse eines Systems mit PV-Anlage, Kompressionskältemaschine und verschiedenen Speicheroptionen. Die Kälteverteilung erfolgt über Kühldecken, simuliert wurde für einen Standort in Norditalien. Gantenbein und Omlin verglichen einen Wasserspeicher mit einem Speicher in welchem Phasenwechselmaterial (PCM) mit einem Schmelzpunkt bei 15 °C eingesetzt wird. Beide Konzepte erreichten ähnliche Jahresarbeitszahlen und einen ähnlichen verbleibenden Strombezug aus dem Netz. Vorteil des PCM-Speichers ist das deutlich reduzierte Speichervolumen: Bei gleicher Speicherkapazität und Anlageneffizienz wird ca. 30 % weniger Volumen benötigt.

Zum Abschluss stellte Timo Rothmund von der Genossenschaft Migros Ostschweiz das Energiekonzept neuer Migros-Supermärkte in der Ostschweiz vor. Für die Produktkühlung wird in diesen Märkten ausschliesslich R744 (CO2) als Kältemittel eingesetzt, das im Vergleich zu den früher eingesetzten Kältemitteln ein viel geringeres Treibhauspotential hat. Raumkühlung fällt als «Abfallprodukt» der Produktekühlung an. Die Gebäudeheizung wird aus der Abwärme der Kälteanlage gespeist und ausschliesslich über Betonkernaktivierung verteilt. Eine zusätzliche Raumheizung oder Klimatisierung der Gebäude wird nicht benötigt.

Grosse Photovoltaikanlagen auf der gesamten Dachfläche sowie in einzelnen Projekten auch auf Parkplatzüberdachungen oder Fassaden, ermöglichen im Zusammenspiel mit der effizienten Haustechnik Plusenergie-Gebäude. Diese Konzepte seien heute wirtschaftlich, auch ohne zusätzliche Eigenverbrauchsregelung, so Rothmund.

Nächster Termin: 28. Oktober 2020
Am 28. Oktober 2020 wird das nächste Symposium Solarenergie und Wärmepumpen an der HSR stattfinden. Veranstalter wird dann neu die OST – Ostschweizer Fachhochschule sein. Zum 1. September 2020 fusioniert die HSR in Rapperswil mit den Hochschulen FHS in St. Gallen und der NTB in Buchs zur neuen Fachhochschule OST.

Bachelor-Infotag am 14. März 2020

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