Thermische Solartechnik

Solare Kühlung – der Vorteil in Zeiten hoher Sonneneinstrahlung

Um die solare Kühlung voranzubringen, gibt es derzeit europaweit zahlreiche Aktivitäten und Anstrengungen sowohl auf industrieller als auch auf wissenschaftlicher Seite. Aber wie funktioniert solare Kühlung?

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Kompressionskältemaschine - Kühlschrankprinzip

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Kompressionskältemaschine - Kühlschrankprinzip

Für das Verständnis der solaren Kühlung ist es notwendig, den Vorgang der Verdunstungskühlung, der allen solaren Kühlungsprozessen zugrunde liegt, zu verstehen. Zunächst hat dieser Vorgang nichts mit Sonnenenergie zu tun. Die Verdunstung einer Flüssigkeit benötigt Energie, die der Flüssigkeit entzogen wird und dabei zu einer Abkühlung führt (um 1 l Wasser zu verdunsten, ist eine Energiezufuhr von 2.500 kJ = 0,7 kW notwendig). Ein Effekt, der in zahlreichen praktischen Anwendungen, wie zum Beispiel beim Kühlen von Weißwein in einem feuchten Tongefäß genutzt wird.

Verringert sich der Umgebungsluftdruck lässt sich der Vorgang intensivieren. Denn die zum Verdampfen bzw. Sieden einer Flüssigkeit erforderliche Temperatur nimmt mit sinkendem Druck ab. Beispielsweise ist für Wasser bei einem Unterdruck von 30 mbar der Sättigungsdampfdruck bereits bei einer Temperatur von ca. 22 °C erreicht, d.h. Wasser verdampft bzw. siedet hier bereits bei Raumtemperaturen.

Heat-Pipe Vakuumröhrenkollektoren nutzen dieses Prizip auch. Das Absaugen von Wasserdampf hält den Verdampfungsvorgang aufrecht und ermöglicht damit eine kontinuierliche Kühlung. Konventionelle Kältemaschinen erreichen diesen Absaugvorgang mit einem Kompressor, solar betriebenen Kältemaschinen durch flüssige oder feste Sorptionsmaterialien.

Der Kreis schließt sich, indem es zu einer Kondensation des Dampfes kommt und damit der Flüssigkeitsnachschub gewährleistet ist. Die bekannteste Form der Kältemaschinen ist der Kühlschrank. Die Wärmeaufnahme – gleichbedeutend mit einer Abkühlung des Innenraums – erfolgt im Verlauf der Phasenumwandlung des Kältemittels von flüssig zu gasförmig im sogenannten Verdampfer. Der strombetriebene Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung, wodurch es sich erwärmt.

Im Kondensator verflüssigt sich das Kältemittel schließlich bei Wärmeabgabe an die Umgebung. Kältemaschinen arbeiten mit Kältemittel (Isobuton, FKW), die zwar kein Ozon abbauen, jedoch ein hohes Treibhauspotenzial besitzen, das um den Faktor 100 bis 15.000 über dem von Kohlendioxid liegt.

Ein für die Effizienz des Kühlungsprozesses wesentlicher Vorgang ist die Abfuhr der bei der Kondensation frei werdenden Kondensationswärme. Beim Kühlschrank erfolgt diese über die an der Rückwand angebrachten Kühlrippen.

Solaren Kältemaschinen ersetzen im Prinzip den elektrischen durch einen thermischen Kompressor. Man unterscheidet hier zunächst geschlossene und offene Verfahren. In den geschlossenen Kältemaschinen ist das Ergebnis eines Absorptions- oder Adsorptionsvorgangs kaltes Wasser (Kaltwassersatz) bzw. eine indirekte Luftkonditionierung. Bei den offenen Systemen kann aufgrund des Kontaktes zur Umgebungsluft eine direkte Konditionierung in Bezug auf Temperatur und Feuchte erfolgen. Hier lassen sich entweder flüssige oder feste Sorptionsmaterialen einsetzen.

1. Teil: Solare Kühlung – der Vorteil in Zeiten hoher Sonneneinstrahlung
2. Teil: Absorptionskältemaschinen (AbKM)
3. Teil: Adsorptionskältemaschinen(AdKM)

Weiterführende Links:

• Metallbearbeitung mit Sonnenenergie: Prozesswärme mittels Solarthermie erzeugen
• Fahrplan Solarwärme: Schwachpunkte und Potenziale der Solarthermie
• Quiz zur Solarthermie