Benutzer­handbuch

Kühlsysteme

Polysun verfügt über zwei verschiedene Kältemaschinenmodelle:

Kompressionskältemaschinen und thermisch angetriebene Kältemaschinen. Die jeweiligen Abläufe dieser Maschinen sind in den nächsten beiden Abbildungen dargestellt. Wie zu sehen ist, besteht der wichtigste Unterschied zwischen den beiden Maschinen darin, dass der Kompressor des Kompressionsmodells in der thermisch angetriebenen Kältemaschine durch einen Absorber, eine Pumpe und einen Generator ersetzt wird, wodurch letztere einen geringeren Stromverbrauch als der andere Kreislauf hat. Ein weiterer Vorteil der thermischen Kältemaschinen besteht darin, dass Wärmeenergie wie Sonnenenergie bei mittlerer bis hoher Temperatur genutzt werden kann, auch bei sehr guter Übereinstimmung zwischen vorhandener Sonnenstrahlung und Kühlenergiebedarf im Sommer. Thermische Kältemaschinen haben jedoch einen geringeren Leistungskoeffizienten als Kompressionskältemaschinen. 

Kompressionskühlung

Die Kompressionskühlung kann mit Hilfe der Wasser-Wasser-Wärmepumpen mit vier Anschlüssen simuliert werden. In der nachfolgenden Abbildung werden drei Möglichkeiten gezeigt, die im Menü gewählt werden können. Ähnlich wie beim herkömmlichen Wärmepumpenmodell werden sowohl die Kühlleistung als auch der Stromverbrauch durch lineare Interpolation der gemessenen Punkte berechnet.

Die nächste Abbildung erläutert eine in Polysun enthaltene Vorlage, bei dem Heizung, Warmwasser und Kühlenergiebedarf durch die Wärmepumpe im Heiz- und Kühl-Modus simuliert werden können. Die Erdsonde wird als Niedertemperatur-Wärmeenergiequelle im Heizmodus und als Energiesenke im Kühlmodus genutzt. Die notwendigen Druckstörungswerte sind auch für den Kühlmodus eingegeben worden.

Thermische Kältemaschinen

Das thermische Kältemaschinenmodell in Polysun basiert auf dem Absorptions­kühl­prinzip. Verschiedene theoretische oder empirische Methoden wurden von Wissen­schaftlern vorgeschlagen, um Modelle für Absorptionskältemaschinen zu entwickeln und die Abläufe zu simulieren. Eine analytische Lösung für die wesentlichen Gleichungen der geschlossenen einstufigen Absorptionskältemaschinen wurde u.a. von Kim vorgeschlagen und wird in Polysun verwendet. Der größte Vorteil dieses Modells ist, dass es eine rasche Simulation eines Absorptionskühlsystems mit minimalen Informationen über Wärmeträgerflüssigkeiten und Betriebszustände ermöglichen kann. Das Modell basiert auf der Definition der Effektivität der Wärmetauscher, der Dühring-Gleichung und den thermodynamischen Prinzipien der wesentlichen Komponenten. Die Absorptionskältemaschine hat drei Paar Anschlussstutzen, die den Wärmeaustausch zwischen Heizenergiequelle, Energiesenke und der Kühlseite erlauben. Die Symbole der Absorptionskältemaschine und des Kühlturms (einer Energiesenke, die die Wärme vom Kondensator der Absorptionskältemaschine durch die Umwälzung des Kühlwassers an die Umgebung abführt) werden in der untenstehenden Abbildung dargestellt.

Verschiedene Absorptionskühlsystemkonfigurationen können mit Polysun simuliert werden. Zum Beispiel wird eines dieser Systeme in der folgenden Abbildung dargestellt, in der sowohl solarthermische Kollektoren als auch der Gaskessel genutzt werden, um den Heizenergiebedarf im Winter und den Kühlenergiebedarf im Sommer mit Hilfe der Absorptionskältemaschine decken zu können. Ebenso wird der Warmwasserbedarf durch ein solches System ganzjährig abgedeckt. In diesem System wird ein Nasskühlturm eingesetzt, der jedoch durch einen Trockenkühlturm, eine Erdsonde oder ein Schwimmbecken ersetzt werden kann. Zwei separate Heiz- und Warmwassertanks sind in dieser Vorlage dargestellt.

Ad- und Absorptionskältemaschinen

Die Funktionsweise einer Absorptionskältemaschine mit sechs Anschlüssen wird in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Die Kältemaschine ist mit drei Fluidbereichen verbunden, dem Heizwasserbereich (linke Seite, rote Anschlüsse), dem Kühlwasserbereich (obere Seite, rosafarbene Anschlüsse) und dem Kaltwasserbereich (rechte Seite, blaue Anschlüsse). Die wichtigsten variablen Parameter der Kältemaschinen sind die Eintrittstemperaturen von Heiz-, Kühl- und Kaltwasser sowie die Durchflusswerte. Die konstanten Parameter des Modells sind die Effektivitätswerte des Absorbers, des Kondensators, des Verdampfers, des Generators und des Lösungswärmetauschers sowie der Volumenstrom der Lösung im Inneren der Maschine. Diese Werte sind im Absorptionskältemaschinenkatalog festgelegt. Deswegen sollten, wenn nötig, die konstanten Parameter sorgfältig gemäss den Hinweisen des Absorptionskältemaschinenherstellers geändert werden. Die Absorptionskältemaschinen können an verschiedene Wärmequellen wie solarthermische Kollektoren, Energiesenken wie Nass-/Trockenkühltürme, Schwimmbäder und Erdsonden sowie an Lasten wie Lüfter, Kühldecken usw. angeschlossen werden.

Verschiedene Kombinationen an Kältemittel/Lösungsmittel wie z.B. Wasser/LiBr, Ammoniak/Wasser, Wasser/LiCl, Wasser/CaCl₂ können im Katalog definiert werden. Aus­legungs­wassertemperaturen und Auslegungsdurchsätze können ebenso festgelegt werden. Die vier Temperaturstörungswerte wie Hochtemperatur- und Niedertemperatur­störung, Hochtemperaturstörung Generator und Niedertemperaturstörung Kaltwasser sind implementiert worden und können vom Benutzer bestimmt werden. Diese Temperaturen verhindern, dass anormale Betriebsbedingungen wie Vereisungserscheinungen oder eine sehr geringe Arbeitsleistung der Kältemaschine entstehen können. Sobald eine oder mehrere dieser Temperaturen während des Betriebs auftreten, schaltet die Kältemaschine automatisch für eine gewisse Zeit ab, die von dem Benutzer festgesetzt werden kann. Alle genannten Kontrollparameter müssen nach Anweisung des Herstellers eingestellt werden.

Der typische Programmablaufplan der Energietransferberechnungen des Absorptions­kälte­maschinenmodells und die Steuerungskriterien der einzelnen Betriebszustände werden in der nächsten Abbildung dargestellt. Es ist wichtig, dass die passenden Regelungen für die Kältemaschine und die angeschlossenen Kreisläufe verwendet werden. Die jeweiligen Steuerungs­kriterien sollten in den Regelungen selbst in Bezug auf das Kühlkonzept definiert werden. Es empfiehlt sich, die jeweiligen Tool-Tipps zu den Ein- und Aus­gängen der Regler zu lesen.

Kühlturm

Wie oben beschrieben, können verschiedene Kühltürme als Energiesenke an die Kältemaschine angeschlossen werden. Die folgende Abbildung zeigt das Dialogfenster des „Nasskühlturms“ oder „Verdunstungskühlturms“. Kühltürme verwenden das Prinzip der Verdunstung oder der „Feuchtkugel“-Kühlung, um die Wärme abzuführen. Die hauptsächlichen Vorteile gegenüber den herkömmlichen Wärmetauschern sind:

• Sie können Wassertemperaturen erreichen, die unter der Lufttemperatur liegen, die zur Kühlung genutzt wird.
• Sie sind bei gleicher Kühllast kleiner und billiger.

Der größte Nachteil der Kühltürme ist, dass sie regelmäßig gewartet werden müssen, um das Risiko der Wasserverschmutzung und Wasserorganismen wie Legionellen zu vermeiden.

Es gibt zwei Arten von Kühltürmen: mit Sauglüftung und Naturzug. Dennoch ist das Grundprinzip der Funktionsweise bei beiden gleich. In Polysun handelt es sich um den Sauglüftungstyp.

Das Modell beruht auf konstanter Kühlleistung unter Berücksichtigung der Energie­bilanz, der Massenbilanz und des Massendiffusionsverhältnisses des zunehmenden Volumens. Die dazugehörigen Differentialgleichungen sind vereinfacht, indem das Effektivitätsnäherungsmodell und Merkels Annahme genutzt werden, die den Effekt des Wasserverlusts durch Verdunstung nicht beachtet. Weiterhin werden folgende Bedingungen angenommen:

• Wärme- und Massenübergang nur in normaler Volumenstromrichtung.
• Vernachlässigbarer Wärme- und Massenübergang durch die Turmwände an die Umgebung.
• Vernachlässigbarer Wärmeübergang von den Ventilatoren des Kühlturms an Luft- oder Wasserströme.
• Gleichbleibende Temperatur im Wasserstrom an jeder Schnittstelle.
• Gleichbleibender Querschnittsbereich des Turms.

Um genaue Ergebnisse zu erhalten, ist es wichtig, den richtigen Kühlturm zu wählen oder einzugeben, je nach Größe der Absorptionskältemaschine. Als Daumenregel gilt, dass die Kühlkapazität eines Kühlturms fast zweimal so groß ist wie die Kühlkapazität der an ihn angeschlossenen Absorptionskältemaschine. Normalerweise werden Kühltürme nach Auslegungs-Kühlkapazität, Auslegungsdurchsatz Wasser, Auslegungsvolumen Luft, Auslegungs-Eintritts- und Austrittstemperatur Wasser und der Auslegungs-Annäherungs­temperatur bestimmt. Die zwei ausschlaggebendsten Punkte für die Leistung eines Kühlturms sind die Annäherungstemperatur und der thermische Wirkungsgrad.

Annäherungstemperatur: Austrittstemperatur Kühlwasser – Lufteintritts-Feuchtkugel­temperatur

Thermischer Wirkungsgrad: (Eintrittstemperatur Kühlwasser – Austrittstemperatur Kühlwasser)/(Eintrittstemperatur Kühlwasser – Lufteintritts-Feuchtkugeltemperatur) * 100 (%)

Es kann beobachtet werden, dass der thermische Wirkungsgrad steigt, wenn die Austrittstemperatur des Kühlwassers die Lufteintritts-Feuchtkugeltemperatur erreicht. In anderen Worten, geringere Annäherungstemperaturen bedeuten einen besseren thermischen Wirkungsgrad. Die typische akzeptable Annäherungstemperatur liegt über 2.

Wie man in der nächsten Abbildung sehen kann, ist es möglich, einen drehzahlgesteuerten Ventilator einzusetzen. Dies würde den Vorteil bringen, dass der Verbrauch der Ventilatoren bei Teillast verringert wird.

Validierung

Die Validierung ist ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung eines Modells. Eine Reihe gemessener Kälteleistungen einer existierenden Absorptionskältemaschine wurde mit den Simulationsresultaten, die mit dem in Polysun implementierten Modell berechnet wurden, verglichen. Die Auslegungsdaten der Maschine sind in der folgenden Tabelle aufgelistet:

Tabelle: Auslegungsdaten der Absorptionskältemaschine

Absorptionskältemaschinentyp	Einstufig, Kältemittel/Lösungsmittel: Wasser/LiBr
Auslegungskühlleistung [kW]	35,14
Auslegungs-COP	0,65
Auslegungs-Eintritts-/Austrittstemperatur Kaltwasser [°C]	12,5/7
Auslegungsdurchsatz Kaltwasser [l/h]	5496,4
Auslegungs-Eintrittstemperatur Kühlwasser [°C]	31
Auslegungsdurchsatz Kühlwasser [l/h]	18351,7
Auslegungs-Eintrittstemperatur Heizwasser [°C]	88
Auslegungsdurchsatz Heizwasser [l/h]	8630,7

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein gutes Verhältnis zwischen gemessener und errechneter Leistung bei verschiedenen Heizwasser- und Kühlwasser-Eintrittstemperaturen.