Mit Sonnenenergie im Winter heizen und im Sommer kühlen

In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) in Oberhausen, der Ritter Energie- und Umwelttechnik sowie der GEA Wiegand GmbH entstand an der Hochschule Karlsruhe eine Pilotanlage zur solarthermischen Prozessdampf- und Kaltwassererzeugung, mit der sich eine Gebäudeklimatisierung ohne Emission von Treibhausgasen realisieren lässt. Im Herbst 2013 konnte die Anlage ihren Betrieb aufnehmen.

Dieses Forschungsprojekt wurde von Prof. Dr. habil. Michael Kauffeld, Leiter des Instituts für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik an der HsKA, initiiert. Weltweit erstmalig wurde dazu ein ca. 400 m² großes Solarkollektorfeld mit einer Dampfstrahlkältemaschine kombiniert. Die Solaranlage auf einem Gebäudedach der Hochschule besteht aus mit Wasser betriebenen Vakuumröhrenkollektoren, die wesentlich höhere Betriebstemperaturen erreichen als herkömmliche Sonnenkollektoren. Mit Hilfe dieser speziellen Solarkollektoren wird regenerativ Dampf mit 140 °C erzeugt, der als Antriebsenergie genutzt wird.

Mit der Dampfstrahlkältemaschine kann Wärme in Kälte gewandelt werden. Sie wird mit dem in den Solarkollektoren erzeugten Dampf mit einem Druck von 4 bar angetrieben und erzeugt kaltes Wasser zur Kühlung. Mit diesem wird im Sommer ein Gebäude der Hochschule gekühlt; im Winter unterstützen die Solarkollektoren die Heizung.

Ein weiteres technisches Highlight ist die hocheffiziente Speichertechnologie mit einem latenten Kältespeicher mit Paraffin und einem Latentwärmespeicher mit Polyethylen. Der an der Hochschule entwickelte Latentwärmespeicher kann bei bewölktem Himmel die Dampfstrahlkältemaschine weiter mit Dampf versorgen und gewährleistet so einen kontinuierlichen Betrieb der Anlage.

„1999 haben wir in Dänemark die erste mit Fernwärme angetriebene Dampfstrahlkälteanlage in einem Einkaufszentrum installiert. Schon damals war eine unserer Visionen, diese Dampfstrahlkälteanlage mit Dampf aus Solarkollektoren anzutreiben. Durch die Kooperation mit der Fa. Ritter und den dort optimierten Vakuumröhrenkollektoren sowie der passenden Regelstrategie konnte jetzt aus dieser Vision Wirklichkeit werden“, so Prof. Dr. habil. Michael Kauffeld, Professor an der Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik und Leiter des Projekts an der HsKA.

Using the energy of the sun to heat in winter and stay cool in summer

The University of Applied Sciences, Karlsruhe (HsKA), in cooperation with Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology (UMSICHT) in Oberhausen, Ritter Energie- und Umwelttechnik and GEA Wiegand GmbH, has developed a pilot project to generate solar thermal process steam and cold water, which makes it possible to air-condition buildings without generating greenhouse gasses. This facility was inaugurated in autumn 2013.

Initiator of this project was Prof. Dr. habil. Michael Kauffeld, head of the Institute of Refrigeration, Air-Conditioning, and Environmental Engineering (IKKU) at HsKA. This is the first time that a 400sq.m. solar collector array was combined with a steam-jet refrigeration machine. The solar array, located on the roof of one of the university’s institutes, consists of vacuum tube collectors driven by water, which can reach a much higher operation temperature than conventional solar collectors. Via these specially designed solar collectors, it is possible to generate steam that can be used as driving energy at 140°C.

Meanwhile, the steam-jet refrigeration machine is able to convert heat into cold; it is driven by steam generated by the solar collectors and measures 4 bar pressure, which in turn generates cold water for cooling. During the summer it is used to cool one of the university’s buildings, in winter the solar collectors are used to support the heating system.

A further technical highlight is the highly efficient storage technology consisting of a latent cold storage accumulator with paraffin and a latent heat storage accumulator with polyethylene. The latent heat storage accumulator, which was conceived entirely at HsKA, is able to continue to provide the steam-jet refrigeration machine with steam even if the sky is overcast, thus ensuring a continuous and uninterrupted operation of the array.

Prof. Dr. habil. Michael Kauffeld, Professor at the faculty of Mechanical Engineering & Mechatronics, states that the first steam-jet refrigeration machine driven by district heat was installed at a shopping center in Denmark in 1999. Then as now, his vision was to provide the steam-jet refrigeration machine with steam from solar collectors. The cooperation with Ritter and their highly optimized vacuum tube collector, as well as custom made control strategy, has finally made it possible to realize this vision.

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