Annett KuhnMarco G. RibiginiFelix Ziegler

Dynamisches Betriebs-verhalten einer 10 kWAbsorptionskalteanlage

Geschildert werden die Er-gebnisse aus definierten dy-namischen Labormessungen.Diese Messungen sind wich-tig, um das Reaktionsverhal-ten der Anlage bei schwan-kenden und instabilen exter-nen Bedingungen genau zuverstehen und vorhersagenzu konnen, insbesondere beiEinsatz von Solarwarme alsAntriebsquelle. Durch eineangepasste Regelstrategiesoll das Teillastverhalten derAbsorptionskalteanlage opti-miert werden. Es wurdenAntworten auf Temperatur-sprunge der Antriebs-, Kuhl-und Kaltwassertemperatursowie der Einfluss vonSchwankungen dieser Para-meter auf Kalteleistung undWarmeverhaltnis der Anlageuntersucht.

Dynamic operational behaviour of a10 kW absorption chiller

In this paper results from defined dynamicallaboratory tests are presented. The dynamicoperational behaviour of absorption chillershas not been comprehensively investigatedso far. Nevertheless, such tests are importantto study and forecast the response behaviourof the chiller to oscillating or instable externalconditions, in particular if solar heat is used asdriving source and mainly if no hot water sto-rage tank will be installed. By adapted controlstrategies the part and overload behaviour ofabsorption chillers can be optimised. Step re-sponses to temperature steps of the externalheat carrier inlet temperatures as well as theinfluence of oscillations of this parameters oncooling capacity and coefficient of perfor-mance were investigated.

Keywords: 10 kW absorption chiller, solarcooling, dynamic operational behaviour, si-mulation, control strategies

Einleitung

In Zusammenarbeit mit dem BayerischenZentrum fur angewandte Energiefor-schung e.V. (ZAE Bayern) wurde 2003eine kompakte Absorptionskalteanlagemit 10 kW Nennkalteleistung fur niedri-ge Antriebstemperaturen entwickeltund zwei Prototypen gebaut. Bild 1 zeigtden entwickelten Prototypen und dietechnischen Anlagendaten [1].

Die Kalteanlage wurde intensiv unterstationaren Bedingungen mit verschie-denen Antriebs-, Kuhl- und Kaltwasser-temperaturen vermessen [2, 3]. Ein zwei-ter Prototyp wurde Mitte 2003 erfolg-reich in ein System zur solaren Kuhlungder Buroraume der Phonix Sonnen-Warme AG in Berlin Treptow integriert[4].

Dynamische Messungen

Schwankende Eintrittstemperaturen derexternen Medien bewirken ein Schwan-ken der verschiedenen internen System-großen der Kalteanlage sowie der Aus-trittstemperaturen der externen Medienund der umgesetzten Leistungen. Zielder dynamischen Messungen ist es, dieAuswirkungen verschieden hoher undverschieden langer Schwingungen zuuntersuchen. Insbesondere bei solar-

thermischem Antrieb ist die Kalteanlagebzw. deren Regelung mit schwingendenAntriebstemperaturen konfrontiert. Aminteressantesten dabei ist der Einflussauf die erzeugte Kaltwassertemperatur.Sind dieser Grenzen durch das Kuhlsys-tem gesetzt – z.B. darf bei Kuhldeckendie Kondensationstemperatur nicht un-terschritten werden – muss sie geregeltwerden. Auch die Reaktion der Kalteleis-tung ist von Bedeutung. Eine weiterewichtige Frage ist, ob sich die Messer-gebnisse der bisher durchgefuhrten sta-tionaren Messungen auf den instationa-ren Anlagenbetrieb ubertragen lassen.Ein schwingendes System stellt einenEnergiespeicher dar, bei dem kontinuier-lich Energie eingespeichert und wiederentladen wird. Bei allen Speichervorgan-gen wird aber Entropie produziert, d.h.sie sind irreversibel. Daher sollte die mitt-lere Kalteleistung und der mittlere COPgegenuber der stationaren Vergleichs-messung sinken. Die Frage ist, ab wel-cher Schwingungsamplitude und beiwelchen Perioden sich das bemerkbarmacht.

Neben den Temperaturschwingungenwurde auch die Dynamik der Anlagebei Temperatursprungen der externenMedien untersucht. Langfristiges Zielist der Entwurf einer optimalen Rege-lung fur das solare Kaltesystem.

Dipl.-Ing. A. Kuhn, M.G. Ribigini,Prof. Dr.-Ing. F. Ziegler, Institut fur Energie-technik, Technische Universitat BerlinVortrag, gehalten auf der Deutschen KalteKlima-Tagung 2005 in Wurzburg

Arbeitsstoffpaar Wasser/LiBr

COP (Kalte-/Antriebsleistung) 0,76

Kalteleistung 10 kWKaltwasser ein/aus 18/15 �CVolumenstrom 2,9 m3/h

Antriebsleistung 13,2 kWWarmwasser ein/aus 75/65 �CVolumenstrom 1,2 m3/h

Abwarmeleistung 23,2 kWKuhlwasser ein/aus 27/35 �CVolumenstrom 2,6 m3/h

Abmaße: 1,80 � 0,45 � 0,85 m Bild 1: 10 kW Ab-sorptionskalteanla-ge und technischeDaten

KALTETECHNIK/ABSORPTION

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SinusformigeEintrittstemperaturen

In Bild 2 ist das Funktionsschema der Ab-sorptionskalteanlage dargestellt. Hier istbeispielhaft ein Sinussignal mit einer 9K-Amplitude auf die Warmwasserein-trittstemperatur gegeben. Der Antrieberfolgt im Labor mit einem elektrischenHeizer.

Zunachst wurde der Einfluss von schwin-genden Antriebstemperaturen unter-sucht. Dabei wurden Schwingungenmit Amplituden von 1 bis 12 K umeine Mitteltemperatur von 75 �C getes-tet.

In Bild 3 sind die Antriebs-, Kuhl- undKaltwassertemperaturen sowie die Leis-tungen der vier HauptwarmeubertragerGenerator, Kondensator, Absorber undVerdampfer bei einer 3 K-Schwingungder Antriebstemperatur dargestellt. DiePeriode der Schwingung ist dabei mit2,4 Minuten klein. Es ist zu sehen,dass eine Schwingung der Generator-leistung von ca. 5 kWum denMittelwertvon ca. 14 kW keinerlei Schwingung derVerdampferleistung nach sich zieht. DieAustrittstemperatur des Kaltwassersbleibt konstant, es muss also nicht nach-geregelt werden. Man sieht, dass dieSchwingung der Antriebstemperaturschon im Generator selbst durch dieMassen der Warmetauscherrohre undder Losung weggepuffert wird. Die Aus-trittstemperatur hat eine viel geringereSchwingung als der Eintritt. Es werdenschwankende Dampfmengen ausgetrie-ben, die unmittelbar die abzufuhrendeWarmemenge im Kondensator beein-flussen. Die Schwingung der Kondensa-torleistung betragt aber nur noch ca.1 kW um den Mittelwert von 11 kW.Ebenso wird die LiBr-Losung im Genera-tor unterschiedlich stark aufkonzen-triert, was die Absorberleistung beein-flusst. Durch die schwankende Konzen-tration der Losung kann im Absorbermehr oder weniger Dampf absorbiertwerden. Dieser Einfluss ist allerdingssehr abgeschwacht. Die Absorberleis-tung schwankt nur noch mit einer Am-plitude von ca. 0,5 kW und auf die Aus-trittstemperatur des Kaltwassers im Ver-dampfer hat der Vorgang gar keinesichtbaren Auswirkungen mehr.

Da das System sehr trage reagiert, wur-de als Nachstes untersucht, ob eine lan-gere Schwingungsperiode einen große-ren Einfluss auf die Kaltwasseraustritts-temperatur hat. In Bild 4 ist ebenfalls

Bild 2: Funktionsschema mit Sinussignal auf die Antriebstemperatur

Bild 3: Schwingen der Antriebstemperatur (Amplitude 3K, Periode 2,4 min.)

Bild 4: Schwingen der Antriebstemperatur (Amplitude 3K, Periode 9 min.)

KALTETECHNIK/ABSORPTION

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eine 3 K-Schwingung der Antriebstem-peratur dargestellt, allerdings mit einerviermal hoheren Periode von 9 Minuten.Auch hier werden die Schwingungendurch die internen Massen so gut weg-gepuffert, dass die Auswirkungen aufKaltwasseraustrittstemperatur und Kal-teleistungen vernachlassigbar sind. Siebleiben praktisch konstant.

In Bild 5 ist die großte untersuchteSchwingung von 12 K um den Mittel-wert der Antriebstemperatur von 75 �Cdargestellt. Die Periode von 14 Minutenist hier schon dem Durchzug eines Wol-kenfeldes vergleichbar. Es ist zu sehen,dass die Kaltwasseraustrittstemperaturkaum schwingt. Die Schwingung derGeneratorleistung von uber 8 kW umden Mittelwert zieht eine Schwingungder Kalteleistung von gerade 1 kWnach sich. Es ist also auch hier nochkein schnelles Nachregeln erforderlich.

Bild 6 verdeutlicht die internen Vorgan-ge in der Kalteanlage. Die Konzentrationder Losung, die vom Generator in denAbsorber fließt und uber Behalterdruckund Generatorsumpftemperatur be-stimmt wird, unterliegt keinen starkenSchwankungen. Sie schwankt nur mit

1,5% um denMittelwert. Deshalb geratdie Anlage trotz der hohen Schwin-gungsamplitude der Antriebstempera-tur nicht in einen kritischen Bereichund muss nicht abgeregelt werden.Die Konzentration der im Absorber ver-dunnten Losung – gemessen mit einemCoriolis-Massedurchflussmessgerat –schwankt nur noch mit 0,5% um denMittelwert. Das erklart das schwacheSchwingen von Absorber- und Ver-dampferleistung.

Um die Auswirkungen der instationarenZustande auf Kalteleistung und Effizienzder Anlage zu untersuchen, wurden diejeweiligen Mittelwerte mit den Wertender stationaren Messung verglichen.Das Ergebnis ist in Tabelle 1 dargestellt.Bis zu einer Amplitude von 7K bleibenKalteleistung und COP genauso hoch,wie bei der stationaren Vergleichsmes-sung. Erst bei sehr hohen Schwingungs-amplituden beginnen sie abzusinken.Der Abfall ist aber noch geringer alsdie Messgenauigkeit.

Als Nachstes wurden Schwingungen derKaltwassertemperatur mit Amplitudenvon 1 bis 5 K untersucht. In Bild 7 isteine 3K-Schwingung dargestellt.

Es ist praktisch keine Ruckwirkung aufdie Warmwasseraustrittstemperatur zusehen. Obwohl die Kalteleistung von 3bis 16 kW sehr stark schwingt, bleibtdie Generatorleistung konstant. Das be-deutet, dass der Antrieb nicht sofortnachgeregelt werden muss. Es ist ehereine langsame Regelung erforderlich.

Tabelle 1: Auswertung Schwingen der Antriebstemperatur

stationareMessung

Amplitude

1 KT ¼

9 min.

3 KT ¼

9 min.

5 KT ¼

9 min.

7 KT ¼

9 min.

9 KT ¼

10 min.

12 KT ¼

14 min.

Warmwasser ein[�C]

75,0 75,0 75,0 74,9 75,0 75,1 75,0

Kaltwasser ein[�C]

18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0

Kuhlwasser ein[�C]

27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,1 27,2

Kalteleistung[kW]

10,7 10,7 10,7 10,7 10,6 10,5 10,4

COP [-] 0,79 0,80 0,80 0,80 0,80 0,78 0,77

Bild 5: Schwingen der Antriebstemperatur (Amplitude 12K, Periode 14 min.)

Bild 6: Konzentration der Losungbeim Schwingen der Antriebstem-peratur (Amplitude 12K, Periode14 min.)

Bild 7: Schwingen der Kaltwassertemperatur (Amplitude 3K, Periode 5 min.)

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Normalerweise wird sehr schnell nach-geregelt, was leicht zum gegenseitigenAufschwingen der externen Medienfuhren kann.

In Tabelle 2 sind die Mittelwerte von Kal-teleistung und COP im Vergleich zur sta-tionaren Messung dargestellt. Es ist keinAbfallen dieser Werte bedingt durch dieInstationaritat der Messungen erkennbar.

Zuletzt wurde der Einfluss einer schwin-genden Kuhlwassereintrittstemperaturuntersucht. In der linken Grafik inBild 8 ist zu sehen, dass hier der Einflusseiner 3 K-Schwingung auf Kalt- bzw.Warmwasseraustrittstemperatur nichtmehr zu vernachlassigen ist. Rechts inBild 8 ist eine 7K-Schwingung darge-stellt.

Bild 9 zeigt die Leistungen der Warme-ubertrager bei der hohen Schwingungs-amplitude.

Obwohl alle Leistungen sehr starkschwingen, muss die Anlage nicht abge-schaltet werden. Bei den einzigen bisherauf dem Markt verfugbaren solaren Kal-teanlagen der Firma Yazaki, die mit Bla-senpumpe und ohne Verdampferumlaufarbeiten, haben variable Kuhlwasser-

temperaturen eine großen Einfluss aufdie Leistungsfahigkeit [5].

Vergleicht man die in Tabelle 3 darge-stellten Mittelwerte von Kalteleistungund COP, ist kein Abfallen gegenuberder stationaren Messung erkennbar.

Temperatursprunge

Die Kalteanlage reagiert aufgrund derinternen Massen bei den Temperatur-

schwingungen der externen Medien tra-ge. Es wurden Schwingungsperioden biszu 15 Minuten untersucht. Um zu se-hen, wann sich das System auf den je-weils neuen Zustand einstellt, wurdenSprunge auf die Antriebs-, Kuhl- undKaltwassereintrittstemperatur gegeben.In Bild 10 und 11 ist beispielhaft ein10K-Sprung der Antriebstemperaturvon 65�C auf 75�C und wieder zuruckdargestellt.

Bild 8: Schwingen der Kuhlwassertemperatur (links: Amplitude 3K, Periode10 min., rechts: Amplitude 7K, Periode 10 min.)

Bild 9: Schwingen der Kuhlwasser-temperatur (Amplitude 7K, Periode10 min.)

Bild 10: Externe Temperaturen bei Warmwassersprung65 �C ! 75 �C ! 65 �C

Bild 11: Leistungen und COP bei Warmwassersprung65 �C ! 75 �C ! 65 �C

Tabelle 2: Auswertung Schwingen der Kaltwassertemperatur

stationareMessung

Amplitude

1 KT ¼

5 min.

2 KT ¼

5 min.

3 KT ¼

5 min.

5 KT ¼

9 min.

Warmwasser ein[�C]

75,0 75,0 75,0 75,0 75,0

Kaltwasser ein[�C]

18,0 18,0 18,0 18,1 18,1

Kuhlwasser ein[�C]

27,1 27,1 27,1 27,1 27,1

Kalteleistung[kW]

10,4 10,5 10,5 10,6 10,4

COP [-] 0,79 0,80 0,80 0,81 0,79

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Die Generatorleistung steigt dabeisprunghaft an und sinkt langsam aufden neuen stationaren Wert. Die Kon-densatorleistung folgt der Generator-leistung unmittelbar, da die hohere aus-getriebene Dampfmenge diesen in kur-zester Zeit erreicht. Absorber- und Ver-dampferleistung steigen nach kurzerTotzeit langsam ohne Uberschwingenauf den Endwert. Insgesamt wird derneue stationare Betriebszustand erstnach einer guten Stunde erreicht.Nach dem Rucksprung auf die Antriebs-temperatur von 65 �C liegen alle gemes-senen Werte sowie die Leistungen undder COP wieder auf dem ursprunglichenNiveau, d.h. die Zustande sind sehr gutreproduzierbar.

Sprunge der Kuhl- und Kaltwasserein-trittstemperaturen haben vergleichbareErgebnisse. Daraus lasst sich schließen,dass bei Schwingungen mit Perioden-dauern im Bereich ab einer halben Stun-de das System in Resonanz geratenkonnte. Untersuchungen mit so langenSchwingungsdauern werden in Zukunfterfolgen.

Zusammenfassung

Eine kompakte 10 kW-Absorptionskal-teanlage, konzipiert fur den Antriebdurch thermische Solaranlagen, wurdeim Labor unter dynamischen Betriebsbe-dingungen vermessen. Es wurden sinus-formige Schwingungen der Antriebs-,

Kuhl- und Kaltwassertemperatur mit un-terschiedlichen Amplituden und Peri-oden aufgepragt und untersucht, wiedie Kalteanlage reagiert.

Bei schwingender Antriebstemperaturbleiben Kaltwasseraustrittstemperaturund Kalteleistung relativ konstant. Beieiner 12K-Amplitude schwingt die Kalt-wasseraustrittstemperatur maximal mit0,4 K um den Mittelwert. Eine Variationder Schwingungsperiode zwischen 2und 15 Minuten hat dabei keinen Ein-fluss. Erst bei hohen Schwingungsampli-tuden uber 7 K ist ein sehr leichtes Abfal-len der mittleren Kalteleistung und desCOP gegenuber der stationaren Ver-gleichsmessung zu verzeichnen. Aucheine schwingende Kaltwassertempera-tur hat einen sehr geringen Einflussauf Warmwasseraustrittstemperaturund Generatorleistung. Bei einer 5 K-Amplitude schwingt die Warmwasser-austrittstemperatur mit einer Amplitudevon 1K. Ein Abfallen der mittleren Kalte-leistung und Effizienz gegenuber derstationaren Messung ist nicht zu beob-achten. Der Einfluss einer schwingendenKuhlwassertemperatur auf Kalt- undWarmwasseraustritt sowie auf Kalte-und Antriebsleistung ist nicht mehr ver-nachlassigbar. Bei einer 7 K-Amplitudeschwingt die Kaltwasseraustrittstempe-ratur mit 2,4 K und die Warmwasseraus-trittstemperatur mit fast 3 K. MittlereKalteleistung und COP bleiben vergli-chen mit der stationaren Messunggleich. Zusatzlich zu den Schwingungs-messungen wurden Sprunge auf die ex-

ternen Eintrittstemperaturen gegeben,wobei nach einem 10K-Sprung imWarmwasser der neue stationare Zu-stand erst nach uber einer Stunde er-reicht wird. Daraus folgt, dass die Kalte-anlage aufgrund der internen Massensehr trage reagiert und eine Regelungdes solaren Kuhlsystems eher langsamausgelegt werden muss.

Mit den Ergebnissen der Messungenwird als nachster Schritt eine System-identifikation der Kalteanlage durchge-fuhrt mit dem Ziel, die Anlage dyna-misch zu simulieren. Im weiteren sollendie Ergebnisse auch auf andere Anla-gengroßen ubertragen werden.

Literatur

[1] Schweigler, C., Costa, A., Hogenauer-Lego, M., Harm, M. , Ziegler, F.: Absorp-tionskaltwassersatz zur solaren Klimati-sierung mit 10 kW Kalteleistung. Ta-gungsbericht der Deutschen Kalte-Kli-ma-Tagung, Ulm. Deutscher Kalte- undKlimatechnischer Verein, Stuttgart(2001)

[2] Kuhn, A., Harm, M., Kohlenbach, P., Pe-tersen, S., Schweigler, Ch., Ziegler, F.: Be-triebsverhalten einer 10 kW Absorpti-onskalteanlage fur solare Kuhlung. Hu-thig GmbH & Co. KG, Heidelberg. KILuft- und Kaltetechnik 41 (2005) 7, S.263–266

[3] Kuhn, A., Ziegler, F.: Operational resultsof a 10 kW absorption chiller and adap-tation of the characteristic equation.Proceedings of the International Confe-rence Solar Air Conditioning 2005, BadStaffelstein. Ostbayerisches Technolo-gie-Transfer-Institut e.V., Regensburg(2005)

[4] Kohlenbach, P., Medel y Molero, S.,Schweigler, C., Harm, M., Kuhn, A., Al-bers, J.: Weiterentwicklung und Feldtesteiner kompakten 10 kW H2O-LiBr Ab-sorptionskalteanlage. Tagungsband des3. Symposiums Solares Kuhlen in derPraxis 2004, Stuttgart. FachhochschuleStuttgart (2004)

[5] Albers, J., Ziegler, F.: Investigation of theinfluence of cooling water temperatureon the operating conditions of Thermo-syphon Generators. Proceedings of theInternational Sorption Heat Pump Con-ference 2005, Denver, USA (2005)

Schlusselworter

AbsorptionskalteanlageSolares KuhlenTransientes BetriebsverhaltenSimulationRegelung

Tabelle 3: Auswertung Schwingen der Kuhlwassertemperatur

stationareMessung

AmplitudestationareMessung1 K

T ¼10 min.

3 KT ¼

10 min.

5 KT ¼

10 min.

7 KT ¼

10 min.

Warmwasser ein[�C]

75,0 75,0 75,0 75,0 75,0 75,0

Kaltwasser ein[�C]

18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0

Kuhlwasser ein[�C]

34,0 34,1 34,0 34,0 32,7 32,7

Kalteleistung[kW]

6,0 6,0 6,1 6,1 7,0 7,0

COP [-] 0,70 0,71 0,71 0,73 0,75 0,75

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