Endbericht 18 neues Titelblatt · Innovative Wärmenutzung im Bereich Biogas-Blockheizkraftwerk 7 Stockwerke sind durch eine 40 cm starke Betonplatte voneinander getrennt. Im Gegensatz

Inhaltsverzeichnis

II

Inhaltsverzeichnis

1 KURZFASSUNG .......................................................................................................1

2 EINLEITUNG.............................................................................................................2

2.1 IST-Stand vom Hühnermastbetrieb ............................................................................................. 2

2.2 SOLL-Stand vom Hühnermastbetrieb ......................................................................................... 3

3 AUFGABENSTELLUNG...........................................................................................4

4 VORGEHENSWEISE ................................................................................................5

5 BESTANDSAUFNAHME DES HÜHNERMASTBETRIEBES ...................................6

5.1 Anlagedaten des Blockheizkraftwerkes...................................................................................... 6

5.2 Gebäudedaten................................................................................................................................ 6

5.3 Betriebsdaten................................................................................................................................. 7

5.4 Präzisierung der Aufgabenstellung............................................................................................. 8

6 KÜHLLASTBEDARFSBERECHNUNG FÜR DEN HÜHNERMASTBETRIEB .......10

6.1 Randbedingungen der Kältebedarfsberechnung..................................................................... 10

6.2 Berechnungsmodell .................................................................................................................... 11

6.3 Kältebedarfsberechnung im Auslegungspunkt ....................................................................... 13

7 TECHNOLOGIE ZUR KÄLTEERZEUGUNG ..........................................................14

7.1 Allgemeines.................................................................................................................................. 14

7.2 Theoretische Grundlagen ........................................................................................................... 14

7.3 Thermische Kälteaggregate ....................................................................................................... 17

7.4 Basistechnologien....................................................................................................................... 18 7.4.1 Absorptionskältemaschine ................................................................................................ 18 7.4.2 Adsorptionskältemaschine ................................................................................................ 20 7.4.3 Dampfstrahlkälteprozess................................................................................................... 22 7.4.4 Sorptionsgestützte Klimatisierung oder DEC-Verfahren................................................... 23

7.5 Rückkühlung ................................................................................................................................ 24

7.6 Auswahl der geeigneten Technologie ....................................................................................... 25

Inhaltsverzeichnis

III

8 KÄLTEMARKT UND PERSPEKTIVEN ..................................................................26

8.1 Allgemeines.................................................................................................................................. 26

8.2 Ausgewählte Fallbeispiele.......................................................................................................... 27

9 MARKTÜBERSICHT...............................................................................................31

9.1 Allgemeines.................................................................................................................................. 31

9.2 Voranfragen an Hersteller........................................................................................................... 32

9.3 Auswertung der eingelangten Angebote .................................................................................. 33

10 WIRTSCHAFTLICHKEITSANALYSE.....................................................................36

10.1 Allgemeines.................................................................................................................................. 36

10.2 Planungsmerkregeln für KWKK Systeme ................................................................................. 39 10.2.1 Grundlegendes.................................................................................................................. 39 10.2.2 Auslegungs- und Optimierungsüberlegungen................................................................... 40

10.3 Wirtschaftlichkeitsanalyse für die Hühnermaststallklimatisierung ....................................... 41

11 ERGEBNISSE DER MACHBARKEITSSTUDIE FÜR DEN HÜHNERMASTBETRIEB .......................................................................................42

11.1 Ergebnisse der wärmetechnischen Untersuchung.................................................................. 42

11.2 Ergebnisse der Marktuntersuchung.......................................................................................... 45

11.3 Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung ................................................................... 45

12 ERGEBNISSE FÜR DEN SCHWEINEMASTBETRIEB ..........................................46

12.1 Einleitung ..................................................................................................................................... 46

12.2 Studienfall Schweinemastbetrieb .............................................................................................. 46

12.3 Aufgabenstellung ........................................................................................................................ 46

12.4 Vorgehensweise .......................................................................................................................... 47

12.5 Bestandsaufnahme vom Schweinemastbetrieb....................................................................... 47

12.6 Kühllastberechnung.................................................................................................................... 49

12.7 Untersuchungsergebnisse für den Schweinemastbetrieb...................................................... 51

12.8 Voranfragen an die Hersteller .................................................................................................... 52

12.9 Auswertung der Angebote für den Schweinemastbetrieb ...................................................... 52

12.10 Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsanalyse - Schweinestallklimatisierung................... 53

Inhaltsverzeichnis

IV

13 SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK .......................................................54

13.1 Zusammenfassung und Interpretation der Ergebnisse........................................................... 54

13.2 Grenzen der vorliegenden Untersuchung................................................................................. 55

13.3 Begleitende Maßnahmen ............................................................................................................ 56

13.4 Ausblick........................................................................................................................................ 57

LITERATURVERZEICHNIS ..........................................................................................58

ABBILDUNGSVERZEICHNIS.......................................................................................59

TABELLENVERZEICHNIS ...........................................................................................60

ANHANG A1 .................................................................................................................61

ANHANG A2 .................................................................................................................62

ANHANG A3 .................................................................................................................67

ANHANG A4 .................................................................................................................68

ANHANG A5 .................................................................................................................72

ANHANG A6 .................................................................................................................75

ANHANG A7 .................................................................................................................88

ANHANG A8 .................................................................................................................90

ANHANG A9 .................................................................................................................91

ANHANG A10 ...............................................................................................................93

ANHANG A11 ...............................................................................................................98

Kurzfassung

Innovative Wärmenutzung im Bereich Biogas-Blockheizkraftwerk 1

1 Kurzfassung

Der vorliegenden Machbarkeitsstudie liegt die Überlegung zugrunde, ob der Einsatz

einer durch die Abwärme aus einem bereits bestehenden Blockheizkraftwerk

angetriebener Kältemaschine im vorgegebenen Untersuchungsfalle eines

Hühnermastbetriebes (und in weiterer Folge eines Schweinemastbetriebes) aus

technischer Sicht umsetzbar wäre und gleichzeitig aus wirtschaftlicher Sicht dem

Betreiber Vorteile bringe.

Die Erstellung der Wärmebilanz zeigt, dass die zur Verfügung stehende

Abwärmeleistung des Biogasmotors aus wärmetechnischer Sicht vollkommen ausreicht,

um eine Absorptionskältemaschine anzutreiben.

Der Technologievergleich und die in weiterer Folge durchgeführte Marktrecherche

ergaben in Verbindung mit der ausgewerteten Angebotsmatrix den Stand der Technik

sowie als Technologieauswahl die Absorptionskältemaschine mit LiBr – Wasser für den

untersuchten Anwendungsfall.

Das Ergebnis der Wirtschaftlichkeitsanalyse zeigt, dass die ausgewählte

Absorptionskältemaschine im Vergleich zur Kompressionskältemaschine deutlich

höhere Investitionskosten aufweist. Zu beachten ist weiters die schlechtere

Leistungsziffer der Absorptionskältemaschine gegenüber der

Kompressionskältemaschine die vor allem in den notwendigen Nebeneinrichtungen

kostenwirksam werden und eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung daher nur bei sehr

niedrigen Wärmekosten und durch die niedrigen Betriebskosten wettbewerbsfähig

machen.

Zusammenfassend kann man sagen, dass unter der Voraussetzung einer

Abwärmenutzung aus einem Biogas Blockheizkraftwerk im kleinen Leistungsbereich die

Absorptionskältemaschine mit LiBr – Wasser als einzige marktreife Technologie in

Frage kommt. Durch die Stallklimatisierung erhöhen sich für die Nutztiere die

Behaglichkeit und das Allgemeine Wohlbefinden der Tiere im Stall, welche sich u. a.

durch eine zusätzliche Gewichtszunahme sowie eine Verringerung der Tierverluste als

auch in einer Verringerung der Ammoniak- und CO2-Konzentrationen zeigt. Für eine

exakte Quantifizierung obiger Parameter ist eine Umsetzung mit wissenschaftlicher

Begleitforschung notwendig.

Einleitung


2 Einleitung

Ein generelles Problem der Kraft-Wärme-Kopplung stellt die in der Regel nur sehr

geringe Abwärmenutzung des Blockheizkraftwerks (BHKW) in den Sommermonaten

dar. Durch die Nutzung der Abwärme in wärmegetriebenen Kältemaschinen könnte die

Jahresnutzungsdauer erheblich erweitert und dadurch die Wirtschaftlichkeit eines

BHKW unter bestimmten Umständen erheblich verbessert werden. Eine intelligente

Lösung der meistens praktisch nicht verwertbaren Abwärme eines Biogas-

Blockheizkraftwerkes stellt die Abwärmenutzung zur Klimatisierung von

landwirtschaftlichen Stallungen dar. Die Voraussetzung hierfür stellt natürlich der

wirtschaftliche Betrieb der zusätzlich nötigen Kältearbeitsmaschine dar.

Im konkreten Fall der Studie wurden zwei landwirtschaftliche Betriebe:

• ein Hühnermastbetrieb und in weiterer Folge

• ein Schweinemastbetrieb

auf ihre Eignung zum Betrieb einer Kältemaschine zur Stallklimatisierung in den Sommermonaten überprüft.

2.1 IST-Stand vom Hühnermastbetrieb

Der betrachtete Hühnermastbetrieb verfügt zurzeit über eine mittelgroße

Hühnerstallanlage, einen kleineren Schweinstall und eine mittlere vorwiegend mit Mais

bebaute Ackerfläche. Durch die Betreibung einer Biogasanlage, welche mit organischen

Reststoffen beschickt wird, entsteht Biogas, das zu Strom und Wärme umgewandelt

wird. Durch die Abwärmenutzung aus dem Blockheizkraftwerk wurde die Frage der

Stallheizung weitgehend gelöst. Anstelle der früheren Erdgasflammenstrahler traten an

der Stalldecke aufgehängte Wasserleitungsstrahler. Das Wärmemittel (Heißwasser)

fließt über einen Wärmetauscherblock und entzieht dabei Energie dem Kühlkreis und

gleichermaßen dem Verbrennungsabgas des Biogasmotors. Der Wärmeüberschuss

dient zurzeit der Aufrechterhaltung des Gärungsprozesses im Fermenter sowie der

Heizung und Warmwasserbereitung für die Stallgebäude und den Haushalt.

Ungelöst hingegen blieb bis dato das Problem der hohen Stallinnenraumtemperaturen

in den heißen Sommertagen, was immer wieder zur Massensterblichkeit in der

Tierpopulation führt. Der Volleinsatz der bestehenden Lüftungs- bzw.

Einleitung


Wassernebelerzeugungsanlage sowie die eher dürftige Regelung, kann trotz

Überdimensionierung, den Anstieg der Stallinnenraumtemperatur nicht verhindern.

2.2 SOLL-Stand vom Hühnermastbetrieb

Es ist unter Ausnutzung des vorhandenen Energiedargebotes (vor allem des im

Sommer vorliegenden Überschusses an Heißwasser) eine Lösung zu finden, um den

unerwünscht hohen Stallinnenraumtemperaturen preisgünstig und effektiv

entgegenzuwirken.

Die Fachabteilung 13A der Steiermärkischen Landesregierung beauftragte daher den

Verein Öcompany e.V. mit der Durchführung eine Machbarkeitsstudie mit dem Thema

der innovativen Wärmenutzung aus dem Bereich Biogas zur autarken

Stallklimatisierung.

Es ist im vorgegebenen Untersuchungsfall zu prüfen und ggf. nachzuweisen, ob der

Einsatz einer durch die Abwärme aus dem bestehenden Blockheizkraftwerk

angetriebener Kältemaschine aus technischer Sicht umsetzbar wäre und gleichzeitig

aus wirtschaftlicher Sicht für den Familienbetrieb deutliche Vorteile bringe. Die

Untersuchungsergebnisse werden dann in weiterer Folge auf den ähnlichen

Anwendungsfall eines Mastschweinbetriebes übertragen.

Aufgabenstellung


3 Aufgabenstellung

Die Überschreitung der kritischen Raumtemperatur, gefolgt von Massensterblichkeit

unter den Tieren, stellt in der Tat aus Sicht der Hühnerhaltung einen Extremfall dar.

Erstrebenswert ist es, durch den Einsatz einer Kätemaschine und eventuell weiterer

zweckmäßiger Hilfsmaßnahmen die Lufttemperatur im Stall innerhalb der

Behaglichkeitsgrenzen der Tiere zu halten, um dadurch im Endeffekt höchstmögliche

Erträge zu erzielen.

Es gibt neben dem zurzeit unkontrollierten Temperaturanstieg eine Reihe von weiteren

Parametern (z. B. Luftfeuchtigkeit, Luftwechselrate und Temperaturregelungskurve)

welche im allgemeinen Zusammenhang der Stallklimatisierung eine wesentliche Rolle

spielen. Die Betrachtung ihrer Schwankungsbreiten sollte daher im Rahmen der

vorliegenden Arbeit berücksichtigt werden.

Da die untersuchte Stallanlage des Hühnermastbetriebes aus mehreren Baueinheiten

besteht, sind im Vorfeld die Problembereiche, in denen in den vergangenen Jahren die

höchsten Sterberaten unter den Tieren aufgetreten sind, auszumachen. Es soll dann

geprüft werden, inwiefern die restlichen Bereiche der Stallungen vom Einsatz einer

Kälteanlage profitieren könnten.

Die Auswahl einer geeigneten Technologie zur Stallklimatisierung wird anhand einer

Marktrecherche durchgeführt. Durch diese Auswahl werden sowohl der

Hühnermastbetrieb als auch der Schweinemastbetrieb mit diesem Anlagentyp fiktiv

ausgestattet. Damit soll die technische Machbarkeit unter Beweis gestellt werden.

Die wichtigsten Ergebnisse der Marktuntersuchung werden anschließend einer

Wirtschaftlichkeitsprüfung unterzogen, um ökonomische Fragestellungen diskutieren zu

können.

Der vorliegenden Arbeit ist somit aus technischer und wirtschaftlicher Sicht der Wert

einer fallbezogenen KWKK Grobanalyse beizumessen.

Vorgehensweise


4 Vorgehensweise

Der Fragenstellung entsprechend wurden im Rahmen dieser Arbeit der Reihe nach

folgende Schritte gesetzt:

Zuerst erfolgte eine umfangreiche Bestandsaufnahme vor Ort am 21.Juni 2004 bei

einem Hühnermastbetrieb. Am 23.Juli 2004 erfolgte die Bestandsaufnahme bei einem

Schweinemastbetrieb.

Anschließend erfolgte infolge der Datenaufbereitung eine Präzisierung der

Aufgabenstellung.

Danach wurde eine umfangreiche Literaturrecherche in den Bereichen artgerechte

Tierhaltung, Normungswesen und Einsatz von Kältemaschinen im landwirtschaftlichen

Bereich durchgeführt. Die daraus resultierenden Erkenntnisse flossen u. a. in die

Kälteleistungsberechnung in Form von Berechnungsparametern ein.

Die Vorberechnung der erforderlichen Kälteleistung im Auslegungspunkt stellte die

Basis für eine Voruntersuchung über Anbieter von marktreifen Produkten dar. Diese

Voranfrage erfolgte nach einer ersten telefonischen Kontaktaufnahme durch die

Übersendung eines Anfrageformulars an alle in Frage kommenden Hersteller via Fax

oder Em@il.

Bei der drauffolgenden Abstimmungsrunde mit den wichtigsten Herstellern dienten

bereits die Ergebnisse der Wärmebilanz als Grundlage für das Angebot. Die

eingegangenen Angebote wurden dann einer Analyse unterzogen. Die

Angebotsauswertung erfolgte anschließend anhand einer Auswertematrix.

Es folgte eine grobe Wirtschaftlichkeitsanalyse als wesentliches Auswahlkriterium unter

den eingegangenen Angeboten.

Die vorliegende Arbeit wurde zuerst für den Hühnermastbetrieb durchgeführt und

danach wurde dieselbe Vorgehensweise auf den Schweinemastbetrieb übertragen.

Bestandsaufnahme


5 Bestandsaufnahme des Hühnermastbetriebes

Die Ist-Analyse des Hühnerstalls wurde am 21.06.2004 anlässlich eines Vorortbesuchs

durchgeführt. Der Landwirt ist zurzeit im Besitz zweier Hühnerställe und eines

Schweinstalls. Auf der zum Betrieb gehörenden Ackerfläche von ca. 200 ha wird Mais

angebaut. Dieser Mais wird zu Maissilage verarbeitet und dient als Rohstoff zum Betrieb

der Biogasanlage. Im Jahre 2001 wurden nach Auskunft des Landwirtes ca. 1 Mio. € in

die Errichtung einer Biogasanlage investiert, welches im Wesentlichen aus zwei

Reaktoren, einem Blockheizkraftwerk und der dazugehörigen Wärmetauscher und

-speicher samt Verrohrung besteht (siehe Anhang A2).

5.1 Anlagedaten des Blockheizkraftwerkes

Das Biogas-Blockheizkraftwerk JMS 208GS-B.LC, hergestellt von der Fa. Jenbacher

Energiesysteme AG, erzeugt im Normalbetrieb eine elektrische Leistung von 330 kW

und gibt weiters durch die Wärmerückgewinnung von Motorkühlwasser und Motorabgas

eine Wärmeleistung von ca. 421 kW bei einer Vorlauftemperatur von 90°C ± 2°C ab.

Die erzeugte elektrische Energie wird gegen Entgelt ins Stromnetz eingespeist,

während die gewonnene Abwärme in erster Linie zum Beheizen der Ställe und zur

Heizung sowie Warmwasserbereitung für den Haushalt in den Wintermonaten dient. In

den Sommermonaten liegt ein großer Wärmeüberschuss vor, welcher über einen

elektrisch angetriebenen Notventilationskühlerkreislauf an die Umgebungsluft abgeführt

wird.

5.2 Gebäudedaten

Die zwei Hühnerställe unterscheiden sich in ihrer Größe, dem Aufbau und dem Alter

voneinander. Der neuere Stall der beiden (im folgenden Neustall genannt) befindet sich

in der unmittelbaren Nähe des BKHWs und wurde 1986 errichtet. Der ältere Stall (im

folgenden Altstall genannt) wurde bereits 1976 errichtet.

Im Gegensatz zum Neustall besteht der Altstall aus zwei Stockwerken, wobei das

Untergeschoß auf nordöstlicher Seite über die Gesamtlänge unter der Erdoberfläche

liegt, während die Flanke gegenüber gut beschattet und der natürlichen Ventilation

durch die Umgebungsluft ausgesetzt ist (siehe Anhang A4).

Hingegen liegt das obere Stockwerk nordöstlich lediglich zu ca. 30% unter der Erde,

während die andere Seite gegen die Umgebungsluft gut abgeschattet ist. Die zwei

Bestandsaufnahme


Stockwerke sind durch eine 40 cm starke Betonplatte voneinander getrennt. Im

Gegensatz zum Untergeschoß hat das Obergeschoß Türen, Toren und Fenster sowie

Ventilatoröffnungen auf beiden Seiten, so dass bei Bedarf die natürliche Zuglüftung

gewährleistet wird. Im Altstall werden ca. 20.000 Masthähne pro Stockwerk gehalten.

Die zwei Hallen sind von der Grundfläche her gleich groß (90,00 m x 12,20 m), während

sich die Raumhöhen mit 3,10 m im Untergeschoß gegenüber den 3,00 m im

Obergeschoß nur unwesentlich voneinander unterscheiden.

Der Neustall misst 120,00 m x 13,50 m und hat eine gewölbte Decke mit einer mittleren

Raumhöhe von ca. 4,20 m. Dort werden auf einer Grundfläche von ca. 13.000 m2 ca.

32.000 Masthühner gehalten. Mit seiner offenen Bauart weist der Neustall im

Gegensatz zum Altstall keine herkömmlichen Fenster auf. Die Seitenmauern erheben

sich bis auf ca. 1,7 m empor und ab dieser Höhe ragen in regelmäßigen Abständen von

ca. 2 m Stahlsäulen bis zur Decke. Die Lufteinlassöffnungen, die sich damit entlang der

beiden Hallenmauern ergeben, werden in der kalten Jahreszeit durch einen Faltvorhang

abgedeckt (siehe Abb. 30 im Anhang A2). Diese offene Bauweise erschwert damit den

Einsatz einer kontrollierten Klimatisierung.

Die gebäudetechnische Ausrüstung der zwei Ställe ist ähnlich ausgeführt. Die

technische Gebäudeausrüstung bestehen aus je 8 mit Radiatorflächen versehenen

Heizsträngen, mehreren Fenstern und Öffnungen, Ventilatoren und

Wassernebelerzeugern. Je ein Temperaturfühler ist ca. 70 cm über dem Boden am

Ende der beiden Hallen angebracht.

5.3 Betriebsdaten

Da zum Zeitpunkt der Erhebung die Ställe unbesetzt waren und sich der Monat Juli

dieses Jahres als außergewöhnlich kühl erwies, konnten die Betriebsbedingungen

ausschließlich aus den Aussagen des Betriebsführers abgeleitet werden.

Nach der Bestandsaufnahme ergab sich folgender Sachverhalt:

Die Massensterblichkeit unter den Masthühnern trat z. B. im Hochsommer 2003

aufgrund überhöhter Raumlufttemperatur ausschließlich im Obergeschoß des Altstalls

auf. Bei Überschreitung der Raumlufttemperaturmarke von 32°C lag in den

vergangenen Jahren die Sterblichkeit in diesem Stallbereich bei einer Rate von ca. 700

Tieren / Stunde.

Bestandsaufnahme


Übersteigt die Raumtemperatur die 30°C Marke, so trifft der Landwirt zurzeit folgende

Nothilfemaßnahmen:

• Öffnen aller Fenster und der Tore zur Förderung der Lüftung und

• Betrieb aller Stallventilatoren bei Höchstleistung (Luftwechselrate ist gleich 60 h-1

und dabei wird der Höchstbedarf der Hühner an Atemluft laut DIN 18910 um das

Dreifache überschreiten).

Die relative Luftfeuchtigkeit liegt in den Sommermonaten im Durchschnitt bei ca. 40%

und unterschreitet damit das der Hühnerzucht zugrunde liegende Optimum von 70% bis

80%. Die Wassernebelerzeuger kommen aus Spargründen nur bei deutlicher

Lufttrockenheit zum Einsatz.

Die Motorabwärme wird in der Regel aus demselben Grund auch im Sommer durch die

Wärmestrahler der Ställe abgeführt. Erst wenn die Innenlufttemperatur die 28°C Marke

erreicht wird das Durchfließen des Motorkühlwassers durch die Heizstränge der Ställe

eingestellt und somit die BHKW-Wärme zum Notkühlaggregat umgeleitet. Der Landwirt

begründete dieses Verhalten durch die Zusatzkosten, verursacht durch das Einschalten

des elektrisch angetriebenen Notkühlaggregates.

Tabellarisch zusammengefasste Daten aus dieser Erhebung sind ebenfalls dem Anhang A4 zu entnehmen.

5.4 Präzisierung der Aufgabenstellung

Aus den Punkten 5.1 bis 5.3 folgt, dass die Innenlufttemperatur im Bodenbereich und

die innere Luftfeuchtigkeit im Stall die Behaglichkeit des Tierbestandes

ausschlaggebend beeinflussen.

Es ist zweifelsfrei zum guten Teil den mangelnden Wärmeabfuhrmöglichkeiten der

Zwischendeckplatte zuzuschreiben, dass im Obergeschoß des Altstalls die Temperatur

vor allem in Bodennähe höher als im Untergeschoß des Altstalls oder im Neustall ist.

Außerdem fungiert diese Betonplatte, welche nachts und vormittags auf beiden Seiten

durch Heizradiatoren von oben und von unten bestrahlt wird, als Speichermasse und

gibt auch lange nach dem Ausschalten der Radiatoren der Heuschicht am Boden die

Wärme über Leitung und Strahlung wieder zurück. Eine Gegenüberstellung der Ställe

aus wärmetechnischer Sicht ist der Abb. 1 zu entnehmen.

Bestandsaufnahme


Es ist daher gerade im ungünstigen Stallbereich (Altstall OG) durch den kombinierten

Einsatz einer Kältemaschine und ggf. der Wassernebelerzeuger die Stabilisierung

dieser zwei Parameter innerhalb der Behaglichkeitsgrenzen (bis 28°C bei mindestens

70% relativer Luftfeuchtigkeit) zu gewährleisten.

Die 28°C-Marke der Stalllufttemperatur wird daher unter der Annahme einer

Außenlufttemperatur von 35°C als Auslegungsgrundlage für die Kältemaschine

betrachtet. Ein eventueller Kälteüberschuss kann bei Bedarf zur

Behaglichkeitssteigerung dem Untergeschoß zugute kommen. Eine Klimatisierung des

neuen Hühnerstalls kommt hingegen aus heutiger Sicht u. a. aufgrund

unkontrollierbarer Lüftung nicht in Frage (konstruktiv bedingt).

Altstall Untergeschoß Altstall Obergeschoß Neustall

Keine nennenswerte Sterberate Hohe Sterberate in denheißesten Sommertagen Keine nennenswerte Sterberate

Bodenplatte gegen Erdreich Bodenplatte gegen Innenluft in unmittelbarer Nähe der Heizstrahler Bodenplatte gegen Erdreich

Deckenplatte gegen Innenluft Deckenplatte über Dachwerk der Sonnenstrahlung ausgesetzt

Sehr gut isoliertes Dachwerk, obwohlder Sonnenstrahlung ausgesetzt

Vollbeschattete Lage, dreiAußenmauer gegen Erdreich

Dürftig beschattete Lage, Außenmauer gegen Außenluft

Dürftig beschattete Lage, Außenmauer gegen Außenluft

Herkömmliche Fenster Herkömmliche Fenster Offene Bauweise mit Seitenplanenkontrollierte Lüftung nicht möglich

Mechanische Ventilation unbedingt erforderlich

Mechanische Ventilation unbedingt erforderlich, jedoch nicht ausreichend

Natürliche Lüftung ausreichend, mechanische Ventilation nur im Extremfall erforderlich

Einzug: frische Außenluft Einzug: Mischung aus Außenluftund Abluft vom Untergeschoß Einzug: frische Außenluft

Abb. 1: Gegenüberstellung der klimarelevanten Bedingungen in den drei Hühnerställen des Hühnermastbetriebes

Kühllastbedarfsberechnung


6 Kühllastbedarfsberechnung für den Hühnermastbetrieb

6.1 Randbedingungen der Kältebedarfsberechnung

PL: die theoretische vorliegende Möglichkeit der Anbringung von Wärme- /

Kälterekuperatoren wurde aufgrund der in unserem Studienfall vorliegenden

dezentralen Ausführung des Luftversorgungssystems nicht berücksichtigt.

Pi: der nach DIN 18 910 angegebene Wärmeabgabenleistungswert von 3 W pro 1,5

kg schweres Huhn wurde im Rahmen dieser Studie auf 3,5 W erhöht. Dadurch wurden

einerseits Gewichtsüberschreitungen der Hühner, andererseits aber auch zusätzliche

im Stall vorhandene Innenwärmequellen berücksichtigt.

PS: die Erwärmung infolge der Sonnenstrahlung wurde im Rahmen dieser Studie

über die Annahme einer Dachstuhllufterwärmung auf 60°C im Auslegungspunkt

(Annahme: „sonniger Tag“) bei der Bilanzerstellung mitberücksichtigt.

PW: die Kälteleistung der Wasserverdunstung bzw. die Kondensationswärme erwies

sich im Auslegungspunkt als nicht ausschlaggebend und wurde erst bei der Diskussion

der Ergebnisse (siehe Kapitel 11) näher betrachtet.

Ph: die Wärmebilanz erfolgte unter der günstigen Annahme, dass sämtliche

Dachstrahler abgedreht werden. Da das zur Versorgung des Haushaltbedarfes

notwendige Warmwasser zurzeit über die Strahlstränge an der Decke der Ställe fließt,

setzt diese Annahme voraus, dass zusätzliche Vor- und Rücklaufleitungen (zur

Absorptionsmaschinen-, bzw. Haushaltsversorgung) zu verlegen sind. Ph scheidet somit

aus der Berechnung aus.

PKB: der Kälteleistungsbedarf ergab sich als Resultat der Kaltlastbilanz und wurde in

weiterer Folge als Auslegungsgröße bei der Erstellung der Voranfragen berücksichtigt.

Die Wärmeleitung durch Außen- und Innenmauern bzw. durch die Bodenplatte blieb

aufgrund des relativen thermischen Gleichgewichtes bei der nachfolgenden Kalkulation

unberücksichtigt. Mit einem Prozentanteil von unter 2% liegt sie innerhalb des

Toleranzbereiches von 5%.



6.2 Berechnungsmodell

Die im Rahmen der vorliegenden Machbarkeitsstudie erstellte Wärme- und Kältebilanz

wurde gemäß DIN 18 910 „Wärmeschutz geschlossener Ställe - Wärmedämmung und

Lüftung – Planungs- und Berechnungsgrundlage“, Ausgabe 1992, /3/ unter der

Voraussetzung eines stationären Betriebes aller Stallanlagen durchgeführt. Die

Wärmebilanz entspricht somit der Leistungsbilanz, denn der Zeitfaktor scheidet in

dieser Kalkulationsweise aus. Die Parameterwerte (z. B. Luftwechselraten,

Wärmeleistung der Hühner, u. a.) wurden unter Berücksichtigung der konkreten

Gegebenheiten den jeweiligen Ö-Normen entnommen. Die Stoffwerte (z. B. Luft- und

Wasserwerte, Strahlungs- und Wärmeleitungskoeffizienten, u. a.) stammen aus der

Datensammlung „Thermische Stoffwerte“ von Prof. Paul Viktor Gilli, TU Graz 1993. Die

Gebäudedaten (wie z. B. Wärmetauscherflächen und –volumina) wurden sich anhand

der vor Ort erfassten Bestandsaufnahme errechnet.

Der Berechnung der Kühllast liegen die folgenden, in der Abb. 2 ersichtlichen Energie-

und Materialflüsse zugrunde:

Sonnen-einstrahlung

Innenluftabfuhr

therm.Gleichgew. Hühnenabwärme

Wassernebel

Außenluftzufuhrbei Temperatur Ta bei relativer Luftfeuchtigkeit ra

Wärmestrahlungaus Stallheizung

Wärmeabfuhr durchdie Kälteerzeugung

bei Temperatur Ti bei relativer Luftfeuchtigkeit ri

Abb. 2: Energiekreis im alten Hühnerstall des Hühnermastbetriebes



Berücksichtigte Rechengrößen:

PL Kühllastbedarf der von Außen zugeführten Luftmenge bei der jeweiligen

Differenz zwischen Außen- und Innenraumtemperatur.

Pi Innenwärmeleistung (verursacht hauptsächlich durch die Hühner).

Ps Wärmezufuhrleistung vom Dachwerk infolge der Sonneneinstrahlung.

Pw Wärmeabfuhrleistung infolge der Verdunstung von Wassernebel.

Ph Leistung der Wärmezufuhr über die Deckenstrahler.

PKB Wärmeabfuhrleistungsbedarf durch die Kälteanlage (Kälteleistung).



6.3 Kältebedarfsberechnung im Auslegungspunkt Der Erstellung einer Wärmebilanz liegt ein definierter Auslegungspunkt zugrunde (siehe

Kapitel 5.4). Die Parameterwerte, welche den Auslegungspunkt quantitativ bestimmen,

sind (in tabellarischer Form) dem Anhang A6 zu entnehmen.

Die Wärme- / Kältebilanz ergab damit in diesem Punkt einen Auslegungswert von:

PKB = 259 kW

Die Kältebedarfstruktur ist in der Abb. 3 zu sehen, die dazugehörigen Zahlenwerte sind

dem Anhang A6 zu entnehmen.

Zusammensetzung des Kältebedarfsim Auslegungspunkt

PL168 kW

65%

Pi70 kW27%

Ps21 kW

8%

Abb. 3: Struktur des Kältebedarfs im Auslegungspunkt

Dem errechneten Bedarf steht ein Angebot an Motorabwärmeleistung von 421 kW

gegenüber. Dies entspricht einem theoretischen Mindestwirkungsgrad der

Kälteerzeugung von 61%, was dem heutigen Stand der Technik entsprechend das

übliche Marktangebot um 10% bis 20% unterschreitet.

Technologie zur Kälteerzeugung


7 Technologie zur Kälteerzeugung

7.1 Allgemeines

In diesem Kapitel folgt ein allgemeiner Überblick der Technologien zur Kälteerzeugung

in Bezug auf die innovative Abwärmenutzung aus Biogas-Blockheizkraftwerken. Die

zwei zu untersuchenden Anwendungsfälle sind:

• Biogas-Blockheizkraftwerk mit 330kWel (im Hühnermastbetrieb) sowie ein

• Biogas-Blockheizkraftwerk mit 500kWel (im Schweinemastbetrieb, siehe dazu

Kapitel 12)

Aufgrund dieser technischen Vorgaben und nach der erfolgten Kühllastberechnung

(siehe Kapitel 6.3 und Kapitel 12.6) wird die geeignete Kältetechnologie für die beiden

Anwendungsfälle bestimmt und ausgewählt und stellt die Grundlage für die

Firmenanfragen dar.

7.2 Theoretische Grundlagen

Um einen Kühlwirkung zu erzielen, wird Wärmeenergie dort entzogen, wo eine Kühlung

gewünscht wird. Diese Wärmeenergie wird mit Hilfe von außen zugeführter thermischer

Energie auf ein höheres Energieniveau gebracht und an ein Kühlmedium abgegeben.

Die benötigte Energie kann entweder in Form von Elektrizität (bei

Kompressionskältemaschinen) oder Wärme (bei Sorptionskältemaschinen) zugeführt

werden. Diese Gesetzmäßigkeit ist durch den 2. Hauptsatz der Thermodynamik

festgelegt.

Es ist eine Aufgabe der Kältetechnik, ein gewünschtes Temperaturniveau zu erreichen,

bzw. aufrecht zu erhalten. Dafür ist ein Kreisprozess erforderlich, bei dem mit Hilfe

eines Arbeitsstoffes, dem so genannten Kältemittel, die Energietransformation bewirkt

werden kann. Dieser thermodynamische Kreisprozess wird je nach gewünschtem

Nutzeffekt Kälteanlage oder Wärmepumpe genannt. Bei Kälteanlagen ist die bei

niedriger Temperatur entzogene Wärmeenergie, die Kälteleistung, der gewünschte

Nutzen. Bei Wärmepumpen ist die bei höheren Temperaturen abgegebene

Wärmemenge der gewünschte Nutzen /6/.



Zur Realisierung eines derartigen thermodynamischen Kreisprozesses gibt es

verschiedene Verfahren, die auf unterschiedlichen physikalischen Vorgängen beruhen.

Die gebräuchlichsten sind:

• Kompressionskälteprozeß unter Zufuhr mechanischer Energie

• Sorptionskälteprozeß unter Zufuhr von Wärmeenergie

Die folgende Tabelle 1 zeigt eine Übersicht über die verschiedenen Kälteanlagen-Technologien:

Übersicht über Kälteanlagen-Technologien

Kompressionskälteanlage Absorptionskälteanlage Adsorptionskälteanlage DEC1-Anlage

Physikalischer Kühlungs-Effekt Verdampfen des Kältemittels (Kaltdampfprozeß) Verdunstung

des Kältemittels

Verdichtungsprinzip mechanische Verdichtung thermisch, Absorptionslösungskreislauf

thermisch, Adsorption von Wasserdampf

sorptive Entfeuchtung

Antriebsenergie Elektroenergie Wärmeenergie 78-180 °C

Wärmeenergie 55-95 °C

Wärmeenergie 50-100 °C

Kältemittel chlorierte oder chlorfreie Kohlenwasserstoffe

Wasser mit LiBr oder NH3 als Absorptionsmittel

Wasser mit Feststoff als Adsorptionsmittel

(SILICA-Gel) Wasser

1 dessicative and evaporative cooling

Tabelle 1: Übersicht der Technologien von Kälteanlagen /11/

Die Kompressionskälteanlage nutzt als Antriebsenergie die hochwertige elektrische

Energie. Die Absorptionsanlagen können mit der Zufuhr von Wärmeenergie mit

Temperaturniveaus von ca 78°C bis 180°C betrieben werden, Adsorptionsanlagen sind

auch für die Nutzung von Niedertemperaturwärme (von ca. 55-95°C) geeignet /18/, /19/:

Der ideale Vergleichsprozess für Kältemaschinen und Wärmepumpen ist der Carnot-

Kreisprozess /10/. Während der Kreisprozess bei den KKM nur aus einem

linkslaufenden Prozess besteht, kommt bei den thermischen Kälteaggregaten ein

rechtslaufender Prozess hinzu.

Dieser rechtslaufende Prozess, der eine Wärmekraftmaschine darstellt, dient als

Antrieb der Kältemaschine (linkslaufender Prozess). Bei der Darstellung dieses

Prozesses im Temperatur - Entropie (T, s) Diagramm entsprechen die sich ergebenden

Flächen den umgesetzten Energiemengen.



Die folgende Abb. 4 zeigt den Verlauf des Kreisprozesses einer

Absorptionskältemaschine im T, s Diagramm :

Abb. 4: Kreisprozessverlauf der Absorptionskältemaschine im T, s Diagramm

Der Wirkungsgrad als Verhältnis von Nutzen zu Aufwand ist bei jeder Maschine stets

kleiner als 1. Infolge der Wärmezufuhr auf der kalten Seite kann dieses Verhältnis

jedoch bei Kältemaschinen größer als 1 werden. Dieser Wirkungsgrad wird bei der

Kompressionskältemaschine als Leistungszahl ε und bei thermischen Kälteaggregaten

als Wärmeverhältnis bzw. im englischen Sprachgebrauch als Coefficient of

Performance (COP) bezeichnet und drückt das Verhältnis von der Nutzkälte Q0 zur

zugeführten Antriebswärme Q1 aus /6/.

istungAntriebsleeelektrischNutzkälte

PQ

el _0 ==&

ε Leistungszahl

rmeAntriebswäNutzkälte

QQCOP ==

1

0&

& Coefficient of Performance (COP)

Grundsätzlich wird zwischen einem realem Wirkungsgrad und dem so genannten

Carnot-Wirkungsgrad unterschieden.



Der reale Wirkungsgrad ist stets niedriger als der Carnot-Wirkungsgrad, da der

idealisierte Carnotprozess in der Praxis nicht realisierbar ist. Der Carnot-Wirkungsgrad

dient vorwiegend zur Beurteilung der Qualität der realen Prozesse, indem der reale

Wirkungsgrad und der Carnot-Wirkungsgrad ins Verhältnis gesetzt werden. Dieses

Verhältnis wird als exergetischer Gütegrad bezeichnet.

Die wichtigsten Bauteile einer Kälteanlage sind Verdampfer, Kondensator, Verdichter

und eine Entspannungseinrichtung zur Reduzierung des Druckes. In diesen Bauteilen

zirkuliert ein Kältemittel. Grundlage hierfür bildet das physikalische Gesetz der

Abhängigkeit der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur vom Druck. Das

Kältemittel verdampft auf der kalten Seite bei niedrigem Druck aus dem flüssigen

Zustand unter Aufnahme der Verdampfungswärme (Bauteil Verdampfer), und

verflüssigt sich auf der warmen Seite unter höheren Drücken wieder und gibt dabei

Kondensationswärme ab (Bauteil Kondensator). Zur Erzeugung des

Druckunterschiedes dient der Verdichter /6/. Thermische Kälteaggregate benötigen

weiters einen Heizwasser-, Kaltwasser-, und Kühlwasserkreislauf. Der

Heizwasserkreislauf dient zum Transport der erforderlichen Energie in Form von

Wärme. Der Kaltwasserkreislauf wird durch den Verdampfer gekühlt und stellt die Kälte

den Verbrauchern zur Verfügung. Der Kühlkreislauf dient zur Abfuhr der im

Kondensator entstehenden Kondensationswärme. Die abzuführende Wärme setzt sich

aus der Antriebswärme und aus der vom Kältemittel entzogenen Wärme zusammen. In

der Regel transportiert der Kühlkreislauf das erwärmte Wasser zu einem Kühlturm

durch den eine Abkühlung des Wassers erreicht wird.

7.3 Thermische Kälteaggregate

Ein Problem der Kraft-Wärme-Kopplung stellt der allgemein geringe Raumwärmebedarf

in den Sommermonaten dar. Durch Nutzung der Wärme in wärmegetriebenen

Kältemaschinen kann dieser Nachteil verringert werden, indem dadurch die

Jahresnutzungsdauer erheblich gesteigert und somit die Wirtschaftlichkeit eines BHKW

verbessert werden kann.

Die thermischen Kälteaggregate besitzen gegenüber Kompressionskältemaschinen

(KKM) den Vorteil, dass sie nicht mit hochwertiger elektrischer Energie betrieben

werden müssen, sondern mit Abwärme aus einer beliebigen Quelle (z.B. Kraft-Wärme

Kopplungen) betrieben werden können.



7.4 Basistechnologien

7.4.1 Absorptionskältemaschine

Die Kälteerzeugung auf Absorptionsbasis ist schon lange bekannt. Die ersten

theoretischen und praktischen Versuche mit dem Absorptionsprinzip gehen auf das

Jahr 1777 zurück und wurden bis heute kontinuierlich weiterentwickelt.

Das Prinzip ist ähnlich der KKM, jedoch wird der im Verdampfer entstehende

Kältemitteldampf nicht mechanisch verdichtet, sondern bei niedrigerem Druck im

Verdampfer von einem Lösungsmittel aufgenommen, d.h. absorbiert.

Die mit Kältemittel angereicherte Lösung wird durch eine Pumpe auf ein höheres

Druckniveau gebracht und in den Austreiber gefördert, in dem das Kältemittel durch

Wärmezufuhr ausgetrieben wird. Als Wärmequelle dienen Dampf, Erdgas oder

Warmwasser. Das Lösungsmittel strömt über ein Drosselorgan zum Absorber zurück.

Das ausgetriebene Kältemittel wird im Kondensator (Verflüssiger) durch Wärmeabgabe

an Kühlwasser oder Kühlluft verflüssigt. Nach der Drosselung im Expansionsorgan kann

das Kältemittel im Verdampfer bei einem niedrigen Druck Wärme aus dem zu

kühlenden Medium aufnehmen und kühlt so Kaltwasser. Der dabei entstehende

Kältemitteldampf strömt zum Absorber, wo er vom Lösungsmittel wieder absorbiert wird.

Die Lösungsmittelpumpe ist der einzige bewegte Teil des Kältekreislaufes. Der

Lösungsmittelkreislauf arbeitet als thermischer Verdichter.

Abb. 5: Prinzip der Absorptionskältemaschine



Die Absorptionskältemaschinen (AKM) arbeiten also immer mit einem Kältemittel und

mit einem Lösungsmittel, die als Arbeitsstoffpaar bezeichnet werden. Grundsätzlich wird

zwischen direkt angetriebenen und indirekt angetriebenen AKM unterschieden.

Indirekte betriebene AKM werden mit Abwärme durch Dampf oder Heizwasser versorgt.

Direkt angetriebene AKM verwenden als Energiequelle Erdgas, das im

angeschlossenen Brenner verheizt wird.

Die Absorptionskältemaschinen arbeiten hauptsächlich mit folgenden

Arbeitsstoffpaaren:

• Lithiumbromid/ Wasser

Lithiumbromid (LiBr) / Wasser Lösungen sind hygroskopische Salzlösungen. Wasser

bildet das Kältemittel, Lithiumbromid das Lösungsmittel. Die niedrigste erreichbare

Verdampfungstemperatur liegt bei 4 °C.

Bevorzugte Anwendung ist deshalb die Erzeugung von Kaltwasser für

Industrieprozesse und zur Versorgung von Klimaanlagen. Wird die eingebrachte

Wärmeenergie nur einmal genutzt, wird von einer einstufigen bzw. von einer single

effect Absorptionsmaschine (SE) gesprochen. Dazu wird eine Heiztemperatur von ca.

100 °C benötigt. Bei den bei BHKW üblichen Kühlwassertemperaturen von 80 °C kann

die AKM zwar betrieben werden, der COP verschlechtert sich jedoch dadurch. Neuere

technische Entwicklungen deuten auf eine deutliche Verringerung dieses Nachteils hin

/12/

Zweistufige bzw. double effect AKM (DE) erreichen im Gegensatz zu einstufigen AKM

höhere Wärmeverhältnisse, da die eintretende Wärme doppelt genutzt wird. Dazu

werden jedoch höhere Heizmitteltemperaturen ab ca. 160 °C benötigt. Bei einer

Kopplung einer zweistufigen AKM mit einem BHKW kann daher nur die Wärmeenergie

des Abgases genutzt werden. Sogenannte Multieffekt Absorptionskälteanlagen (ME)

basieren ebenfalls auf einer möglichst effizienten Verwertung der benötigten Wärme

und wurden speziell für die Nutzung von BHKW – Abwärme entwickelt. Hierbei werden

Abgas und Motorkühlwasser in getrennten Apparategruppen für die Kälteerzeugung

genutzt.

Eine weitere Bauart, die so genannte single effect / double lift (SE/DL) Bauart wurde

speziell für die Kälteversorgung über Fernwärme- und Nahwärmenetze entwickelt.



Double lift (DL) steht für eine zweimalige Zuführung von Heizenergie für eine

Kälteenergienutzung. Während bei Standardabsorptionskälteanlagen das Heizwasser

nur um ca. 10°C abgekühlt wird, können SE/DL Anlagen Vorlauftemperaturen von

85-100°C um ca. 20-30°C abkühlen, wodurch niedrigere Rücklauftemperaturen von

65-50 °C erreicht werden.

• Ammoniak / Wasser

Ammoniak (NH3) bildet das Kältemittel und Wasser das zugehörige Lösungsmittel.

Anlagen dieser Bauart werden hauptsächlich zur Kälteerzeugung bis zu -60°C

eingesetzt. Es besteht die Möglichkeit zur mehrstufigen Absorption auf

unterschiedlichen Verdampfungstemperaturniveaus sowie der mehrstufigen Desorption.

Bei einstufigen Anlagen sind Heizmitteltemperaturen von 130°C erforderlich, die bei der

Kopplung mit einem BHKW nur mit dem Abgastemperaturniveau erreicht werden

können. Für niedrigere Heizmitteltemperaturen muss auf den anlagentechnisch

aufwändigeren zweistufigen Prozess ausgewichen werden, der bereits Temperaturen

von 80-90°C nutzen kann. AKM mit dem Stoffpaar Ammoniak/Wasser weisen im

Verhältnis zu AKM mit dem Stoffpaar Lithiumbromid/Wasser eine kleinere und

kompaktere Bauweise auf. Der apparative Aufwand ist jedoch aufgrund eines

zusätzlichen Verfahrensschrittes höher. Dabei muss nach dem Austreiben

dampfförmiges Lösungsmittel aus dem Kältemittel entfernt werden /6/. Ammoniak ist

zwar umweltschonend, besitzt jedoch eine toxische Wirkung und kann mit Luft

explosive Gemische bilden. Durch seinen intensiven Geruch ist jedoch eine

grundsätzliche Warnwirkung vorhanden.

7.4.2 Adsorptionskältemaschine

Bei der Adsorptionskältemaschine wird Kältemittel unter Wärmezufuhr aus einem

Adsorber ausgetrieben. Diese Technologie ist bei weitem nicht so verbreitet wie das

Absorptionskälteverfahren.

Adsorptionskälteanlagen bestehen in der Regel aus zwei mit Sorptionsmittel gefüllten

Arbeitskammern sowie einem Kondensator und einem Verdampfer. Da das

Sorptionsmittel nicht flüssig ist wie bei Absorptionskälteanlagen, kann es nicht im

Kreislauf bewegt werden. Der Adsorptionskreislauf muss daher quasikontinuierlich

gefahren werden. In der Abb. 6 ist der Aufbau eines Adsorptionskälteaggregates

schematisch dargestellt. Der Prozess gliedert sich grundsätzlich in eine Adsorptions-

und in eine Desorptionsphase. Im Verlauf eines Adsorptionsprozesses saugt das



Sorptionsmittel das Kältemittel aus dem Verdampfer an, bindet es und gibt dabei

Wärme an das Kühlwasser ab (linke Kammer). Das verdampfende Kältemittel entzieht

der Umgebung die Wärme. Als Folge davon wird der Verdampfer und damit das

Kaltwasser abgekühlt.

Abb. 6: Prinzipschaltbild der Adsorptionskältemaschine

Im Verlauf des Desorptionsprozesses wird durch Wärmezufuhr (rechte Kammer) das

Wasser aus dem Sorptionsmittel wieder ausgetrieben. Der so entstandene Dampf wird

im Kondensator verflüssigt und durch Abgabe von Wärme abgekühlt und anschließend

dem Verdampfer zugeführt. Die zwei Arbeitskammern sind gegengleich geschaltet, d. h.

eine Arbeitskammer befindet sich in der Adsorptionsphase, die zweite Kammer in der

Desorptionsphase, sodass ein quasikontinuierlicher Betrieb erreicht wird. Das

Massenverhältnis von Kältemittel zu Sorptionsmittel wird als Beladung bezeichnet. Der

Prozess verläuft von einer armen Beladung zu Beginn der Adsorption zu einer reichen

Beladung am Ende der Adsorption. Als Sorptionsmittel wird hauptsächlich Silicagel

verwendet. Silicagele sind stark poröse, glasartige Substanzen. Es ist ein natürlicher

Stoff und wirkt daher nicht umweltschädigend. Neben Silicagel besteht aber auch die

Möglichkeit Aktivkohle oder Zeolith als Sorptionsmittel zu verwenden, die Verwendung

dieser Arbeitsstoffe befindet sich zurzeit erst im Versuchsstadium. Sorptionsmittel

zeichnen sich dadurch aus, dass die Anlagerung eines Kältemittels ohne eine

Volumens- oder Strukturänderung erfolgt. Durch Temperaturerhöhung wird das



Kältemittel wieder abgegeben. Dieser Prozess ist reversibel und beliebig oft

durchführbar. Die Auswahl der Sorptionsmittel hat wesentlichen Einfluss auf die

Eigenschaften der Kältemaschine. Als Kältemittel dient Wasser.

Adsorptionskältemaschinen mit dem Arbeitsstoffpaar Silicagel/Wasser können

Antriebstemperaturen von 60-90°C nutzen. Sie sind daher technisch gesehen optimal

für die KWKK geeignet. Es können Kaltwassertemperaturen, ähnlich wie bei AKM mit

dem Stoffpaar Lithiumbromid/Wasser, von bis zu 5°C erreicht werden. Es werden

Wärmeverhältnisse von 0,4 bis 0,6 erreicht, d. h. die erreichbaren COP sind bei

Adsorptionskälteanlagen niedriger als bei Absorptionskälteanlagen. Im Gegensatz zu

Absorptionskälteanlagen mit LiBr besteht hier keine Kristallisationsgefahr.

Negativ fallen das größere Bauvolumen und die größere Masse aus. So benötigen

ADKM das Doppelte bis Vierfache des Maschinenvolumens einer vergleichbaren AKM.

7.4.3 Dampfstrahlkälteprozess

Die Funktion des mechanischen Verdichters bei einer KKM übernimmt bei einem

Dampfstrahlkälteprozess die Dampfstrahlpumpe. Das Prinzipschaltbild einer

Dampfstrahlkälteanlage ist in Abb. 7 dargestellt.

Abb. 7: Prinzip eines Dampfstrahlkälteprozesses

Der Prozess ist in zwei Kreisläufen aufgebaut, dem Treibmittelkreislauf (heißer Dampf)

und dem Kältemittelkreislauf. Im Dampfstrahlverdichter wird der Kältemitteldampf mit

dem „Treibmitteldampf“, der wie der Kältemitteldampf aus Wasserdampf besteht,



vermischt. Die kinetische Energie des Treibstromes wird dabei auf das Kältemittel

übertragen. Durch diesen Vorgang wird Kältemittel laufend aus dem Verdampfer

angesaugt. Das Verdampfen des Kältemittels wiederum führt zu einer Abkühlung im

Verdampfer. Dabei können auch Temperaturen unter 0°C erreicht werden, wenn dem

Wasser Frostschutzmittel beigemischt wird. Die kinetische Energie beider Ströme wird

anschließend in Druckenergie umgewandelt, sodass der Dampf im Kondensator bei

höherer Temperatur niedergeschlagen werden kann. Die im Kondensator entstehende

Wärme muss wiederum durch einen Rückkühlkreislauf abgeführt werden. Zur

Treibdampferzeugung sind Temperaturen von ca. 75°C erforderlich. Das

Hauptanwendungsgebiet des Dampfstahlkälteprozesses ist die industrielle

Verfahrenstechnik /6/.

7.4.4 Sorptionsgestützte Klimatisierung oder DEC-Verfahren

Im englischen Sprachgebrauch wird die sorptionsgestützte Klimatisierung (SGK) auch

als Desiccative and Evaporative Cooling (DEC) bezeichnet. Hierbei handelt es sich

nicht um eine Kältemaschine im üblichen Sinn. Diese Technologie wird zur

Klimatisierung von Räumen verwendet und ermöglicht die gleichzeitige Entfeuchtung

und Kühlung der Luft im Sommer. Dabei wird der Verdunstungseffekt von Wasser zur

Kühlung der Luft verwendet. Ein pauschaler Vergleich mit Kälteaggregaten ist daher

nicht möglich. Die SGK ist im Gegensatz zu den bisher behandelten Verfahren ein

offener Kälteprozess, wobei die zu klimatisierende Luft der Kälteträger ist. Der

schematische Ablauf ist in Abb. 8 dargestellt.

Abb. 8: Prinzip der sorptionsgestützten Klimatisierung



Die Außenluft wird nach einer Filterung in einem Adsorptionsrad entfeuchtet, das aus

einer Keramik-Silicagelverbindung besteht, und erwärmt sich durch die vom

Sorptionsrad abgegebene Adsorptionswärme. Im Wärmeaustauscher wird die Außenluft

durch die Abluft vorgekühlt. Diese vorgekühlte Luft wird im Verdunstungskühler auf die

gewünschte Temperatur abgekühlt. Dabei wird der Feuchtigkeitsgehalt der Luft erhöht.

Im Raum steigen in der Regel die Temperatur und der Feuchtigkeitsgehalt der Luft.

Diese Abluft wird in einem Verdunstungskühler abgekühlt, um im Wärmetauscher die

einströmende Außenluft vorkühlen zu können. Im anschließenden

Regenerationslufterhitzer erfolgt eine Erwärmung der Abluft um eine Regeneration des

nachgeschalteten Sorptionsrades zu ermöglichen. Dabei sinkt die Temperatur der

Abluft und der Feuchtigkeitsgehalt steigt. Zur Erwärmung der Abluft im

Regenerationserhitzer genügen Vorlauftemperaturen von 90°C. Je nach

Außenluftbedingungen können 25–50% des Kühlbedarfs alleine durch die

Verdunstungskühlung erzielt werden, ohne einen zusätzlichen Bedarf an Energie. SGK

haben einen um ca. 20% größeren Raumbedarf als herkömmliche Zentralklimaanlagen

mit Kaltwasserversorgung. Die Zuluft und Abluft müssen parallel geführt werden, d.h. es

besteht keine Speichermöglichkeit. Marktreife Anlagen verwenden feste Sorbentien

(Silicagel). Prinzipiell ist es aber auch möglich flüssige Sorbentien zu verwenden. In

einem Forschungsprojekt wird eine SGK mit wässriger Salzlösung nach dem

Absorptionsprinzip getestet. Diese soll vorwiegend eine Speichermöglichkeit zur

Verfügung stellen. Weiters wird die Übertragung von Verunreinigungen und Gerüchen

erschwert /15/.

7.5 Rückkühlung

Die im Kondensator und im Absorber bzw. Adsorber freiwerdende Wärme muss

rückgekühlt werden, wenn dieses niedrige Temperaturniveau nicht weite genutzt wird.

Die Kühlung kann grundsätzlich durch einen Ventilator erfolgen, der Kühlluft erzeugt,

oder über einen Kühlturm. Hier nimmt das Kühlwasser Wärme aus dem Kondensator

und dem Absorber bzw. Adsorber auf und gibt diese Wärme mit Hilfe eines Kühlturmes

an die Umgebung ab.



Es werden 2 verschiedene Varianten von Kühltürmen unterschieden:

• Offene Kühltürme: Das Wasser wird über einen Füllkörper versprüht und in

direkten Kontakt mit der Luft gebracht. Die Kühlung erfolgt in Abhängigkeit von

Temperatur und Feuchte der Luft durch Verdunstung eines Teiles des

Kühlwassers. Anschließend sammelt es sich am Boden und wird wieder zum

Kälteaggregat zurückgeleitet. Diese Variante besitzt geringere Investitionskosten,

hat aber den Nachteil, dass das Kühlwasser durch den Kontakt mit der Luft

verschmutzt wird.

• Geschlossene Kühltürme: Hier kommt es zu keinem direktem Kontakt mit der

Luft. Das Wasser fließt in Rippenrohren durch den Kühlturm und wird mittels

Kühlluft von Ventilatoren heruntergekühlt. Es kommt zu keiner Verschmutzung

des Kühlwassers, die Investitionskosten sind jedoch aufgrund des größeren

apparativen Aufwandes höher.

Durch Kühltürme können niedrigere Temperaturen erreicht werden als mit Luftkühlung,

was wiederum zu einer Leistungssteigerung der Kälteanlagen führt. Weiters kann eine

gleichmäßige Produktion von Kaltwasser durch die Kälteanlage auf einem bestimmten

Temperaturniveau gewährleistet werden.

7.6 Auswahl der geeigneten Technologie

Für den in 7.1 beschriebenen Anwendungsfall bestehen folgende Rahmenbedingungen:

• Marktreife der Kältetechnologie

• Kühllast für den Hühnermaststall und für den Schweinemaststall

• Vorgegebene Abwärme der Biogas-Blockheizkraftwerke

Aufgrund dieser Rahmenbedingungen erfolgt nachstehende Technologieauswahl:

Absorptionskältemaschine mit dem Arbeitsstoffpaar LiBr/Wasser im Leistungsbereich < = 300kWth

Marktübersicht


8 Kältemarkt und Perspektiven

8.1 Allgemeines

Die KWKK ist für die industrielle Kühlung und Klimatisierung einsetzbar. Investoren in

KWKK-Systeme sind gleichermaßen in der Industrie wie im Dienstleistungssektor

anzutreffen. Auch bei Contracting (mit Anlagenbaufirmen oder

Energieversorgungsunternehmen) können KWKK Lösungen realisiert werden. Der

spezielle untersuchte Anwendungsfall Stallklimatisierung in der Landwirtschaft befindet

sich noch in der F&E Phase. Daraus könnte sich aber in absehbarer Zeit ein

nennenswerter Markt für Kälteanbieter entwickeln.

Ab einer Außentemperatur von 14-16°C wird der Wärmebedarf für die Raumheizung

vernachlässigbar gering. Die Abb. 9 verdeutlicht, dass eine Klimakälteerzeugung mit

thermisch angetriebenen Kältemaschinen ideal zur besseren Auslastung von KWK

Systemen beitragen kann.

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Außentemperatur [°C]

Antri

ebsw

ärm

ebed

arf [

kWh]

Abb. 9: Typischer Antriebswärmebedarf einer Kältemaschine (400kWth)

Marktübersicht


8.2 Ausgewählte Fallbeispiele

KWKK-Beispiel 1 - Flughafen:

Bei der Energieversorgung des Flughafen München wird zur Strom- und

Wärmeversorgung eine BHKW-Anlage eingesetzt, die auch zum Antrieb von zwei

Absorptionskältemaschinen genutzt wird. Aufgrund der Betriebsprobleme durch eine zu

geringe Auskühlung des Heißwassers mit den installierten Anlagen wurde 1997 eine

zweistufige Wasser-LiBr-Absorptionskältemaschine nachgerüstet, welche bei

Vorlauftemperaturen von 90 Grad Celsius Rücklauftemperaturen von 60 Grad Celsius

sicherstellt /14/.

Technische Daten der KWKK des Flughafen München

KWK - Anlage

7 Blockheizkraftwerke mit jeweils 1,6 MWel / 1,7 MWth

Kälteanlagen

A) Einstufige SE Wasser-LiBr-AKM 2 x 1,5 MWel

B) Turbokompressionskältemaschinen 3 x 3,8 MWth

C) Zweistufige SE / DL-AKM 2,5 – 3 MWth

Zu C) Absorptionskältemaschinen Wasser-LiBr-AKM (SE / DL-AKM)

Anzahl 1

Heizmedium Heißwasser

Zustand Heizmedium 130° C/95° C 90° C/60° C

Kälteleistung 3,6 MWth 3 MWth

Heizleistung 5,2 MWth 5 MWth

COP 0,7

Kaltwassertemperaturen 6° C/12° C

Kühlwasservorlauftemperatur 27° C/35° C

Mischpreis Kälte ca. 125-150 €/MWhth

Marktübersicht


KWKK-Beispiel 2 - Bekleidungshaus:

Die MVV Mannheim AG betreibt in Mannheim seit 1992 eine AKM als Contracting-

Projekt. Die Auslegungsleistung der Anlage in dem Bekleidungshaus Engelhorn&Sturm

beträgt 1.000 kW bei einer Kaltwassertemperatur von 7/13 Grad Celsius. Das

Antriebstemperaturniveau im Auslegungspunkt beträgt 86 Grad Celsius, das jedoch

nach Betriebsmessungen nur an wenigen Tagen im Jahr wirklich gefahren werden

muss. Die Fernwärme-Kälte-Kopplung hat sich in Mannheim bewährt, so dass in den

letzten Jahren weitere derartige Anlagen installiert wurden /14/.

Technische Daten der AKM in Mannheim

Absorptionskältemaschine Wasser-LiBr-AKM

Anzahl 1

Heizmedium Heißwasser

Zustand Heizmedium 80 - 88° C

Kälteleistung 1 MWth

Heizleistung 1,4 MWth

COP 0,7

Kaltwassertemperaturen 7° C/13° C

Kühlwasservorlauftemperatur max. 27° C/35° C

Investitionskosten 500 T€

Betriebskosten ca. 30 €/MWhth

Marktübersicht


KWKK-Beispiel 3 - Eissportkomplex:

Das Eissportzentrum Weißwasser verfügt über drei Trainings- und Wettkampf-

Eissportflächen, in deren Kälteversorgung wurde eine Wasser-NH3-AKM eingebunden.

Die Antriebswärme liefert ein BHKW, das gleichzeitig in das Fernwärmenetz Wärme

einspeist. Die AKM deckt die Grundlast der Kälteversorgung und ist parallel zu KKM in

den bestehenden Ammoniak-Sammelbehälter eingebunden. Die

Heizwassertemperaturen von 140°C werden über den Abgaswärmetauscher des BHKW

bereitgestellt. Die für den Kälteprozess nicht benötigte Heizenergie wird über

Plattenwärmetauscher in das Stadtwerkenetz ausgekoppelt. Sie erhöht so durch

Reihenschaltung mit dem Motorkühler die Vorlauftemperatur der

Fernwärmeeinspeisung. In den Sommermonaten, in denen die Kälteanlage nicht in

Betrieb ist, übernimmt das BHKW die gesamte Grundlast des Fernwärmenetzes

Weißwasser /14/.

Technische Daten für die KWKK des Eislaufzentrums Weißwasser

KWK - Anlage BHKW

Klemmenleistung 2 x 1,29 MWel

Thermische Leistung 2 x 1,5 MWth

Absorptionskältemaschine Wasser-NH3-AKM

Anzahl 1

Heizmedium Wasser

Zustand Heizmedium 140° C

Kälteleistung 380 kWth

Heizleistung 760 kWth

Verdampfungstemperatur NH3 - 6° C bis - 16° C

Kühlwasservorlauftemperatur 25° C

Marktübersicht


KWKK-Beispiel 4 - Industriebetrieb:

Die Firma Boehringer Ingelheim in Biberach hat für die Produktion biotechnisch

hergestellter Medikamente einen ganzjährigen Wärme-, Strom- und Kältebedarf. Die

Wärme wird für Produktionszwecke, zur Heizung, Klimatisierung und Kälteerzeugung

benötigt. Die Gasturbine ist für Erdgas und Heizöl ausgelegt und erreicht in bislang 14

Betriebsjahren eine Verfügbarkeit von über 97%. Der Gasturbine nachgeschaltet ist ein

Abhitzekessel mit Zusatzfeuerung. Mit der Zusatzfeuerung kann die Leistung des

Abhitzekessels kontinuierlich von 10 t/h auf 20 t/h Dampferzeugung erhöht werden /14/.

Technische Daten für die KWKK der Firma Boehringer Ingelheim

KWK - Anlage Gasturbine

Klemmenleistung 3,68 MWel

Absorptionskältemaschinen Wasser-LiBr-AKM einstufig

Wasser-LiBr-AKM zweistufig

Anzahl 2 1

Heizmedium Dampf Dampf

Zustand Heizmedium 2 bar; 120° C 5,5 bar; 148° C

Kälteleistung 7,5 MWth 1,5 MWth

Verdampfungstemperatur 6 bis 14° C 6 bis 13° C

Kühlwasservorlauftemperatur 28 bis 38° C 28 bis 34° C

Leistungspreis Kälte 60 T€/MW*a

Arbeitspreis Kälte 20 €/MWhth

Marktübersicht


9 Marktübersicht

9.1 Allgemeines

Die folgende Marktübersicht gibt einen Überblick über Hersteller von

Sorptionskälteanlagen und bildet gleichzeitig die Grundlage für die durchgeführte

Anfrage der benötigten Kälteleistung für die Auswahl von Referenzobjekten der

einzelnen Technologien für die Analyse der Wirtschaftlichkeit. Weiters stellt sie einen

Überblick über die am Markt erhältlichen Kälteaggregate dar. Die Tabelle 2 gibt einen

Überblick über die Hersteller von Sorptionskälteaggregaten für die KWKK und

beinhaltet zusätzliche Informationen über den Leistungsbereich der angebotenen

Aggregate. Die Datengrundlagen bilden die Veröffentlichung „Marktübersicht

Absorptionskälteanlagen“ der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und

umweltfreundlichen Energieverbrauch /17/, die Website www.bhkw-info.de /11/ und

Firmeninformationen /16/. Jene Kälteanlagen, die nicht Heizwasser oder. Dampf

sondern Erdgas als Energiequelle nutzen, sind in der Tabelle 2 nicht angeführt.

Hersteller Technologie Energiequelle Leistungsbereich

[kW]

Carrier LiBr/Wasser AKM Heizwasser/Dampf 158-5280

EAW Anlagenbau LiBr/Wasser AKM Heizwasser 50-200

Ebara/BMK LiBr/Wasser AKM Heizwasser/Dampf 280-6000

Entropie SE LiBr/Wasser AKM Heizwasser/Dampf 120-5700

LG Machinery LiBr/Wasser AKM Heizwasser/Dampf 100-5000

Sanyo-McQuay LiBr/Wasser AKM Heizwasser/Dampf 105-5500

Trane ABSC/ABSD LiBr/Wasser AKM Heizwasser/Dampf 350-7000

York International LiBr/Wasser AKM Heizwasser/Dampf 20-5275

Gesellschaft für LiBr/Wasser AKM Heizwasser 35-282

ABB Energiesysteme NH3/Wasser AKM Heizwasser 100-1000

Colibri NH3/Wasser AKM Heizwasser/Dampf 200-10000

Albring Silicagel/Wasser ADKM Heizwasser 50-350

GBU mbH Silicagel/Wasser ADKM Heizwasser 150-600

Tabelle 2: Marktübersicht von Sorptionskälteanlagen

Marktübersicht


Lithiumbromid AKM werden bereits von einer Vielzahl von Anbietern angeboten. Der

Leistungsbereich beginnt bei 15 kW (EAW) und reicht bis etwa 7000 kW (Trane). Die

Firmen ABB Energiesysteme und Colibri bieten derzeit als einzige AKM mit dem

Kältemittel NH3 an, die Abwärme nutzen können. Adsorptionskältemaschinen werden

von den beiden japanischen Firmen Mayekawa Mfg. und Nishiyode Mfg. hergestellt.

Der Vertrieb in Deutschland erfolgt bei Mayekawa über Albring Industrievertretung und

bei Nishiyodo über GBUmbH. Das Leistungsspektrum umfasst 50 kW bis 600 kW. Im

Leistungsbereich unterhalb von 100 kW Kälte werden derzeit von den Herstellern nur

wenige Aggregate angeboten. Die Adsorptionskältemaschinen benötigen im Vergleich

zu den Absorptionskältemaschinen eine zusätzliche Anlagenperipherie. Aufgrund des

zyklischen Umschaltvorganges alle 7-10 Minuten zwischen Adsorption und Desorption

kann das Heizwasser für die Dauer des Schaltvorgangs nicht genutzt werden. Aus

diesem Grund muß die Wärme in diesem Arbeitstakt über Notkühler abgeführt werden,

oder es ist ein zusätzlicher Pufferspeicher für das Heizwasser vorzusehen. Für eine

gleichmäßige Kaltwasserversorgung ist ebenfalls ein Pufferspeicher erforderlich.

9.2 Voranfragen an Hersteller

Die Anfragen an die Hersteller von Kältemaschinen wurden anhand von technischen

und wirtschaftlichen Kriterien mittels eines Anfrageformulares (siehe Anhang 7)

per e-mail durchgeführt.

Technische Kriterien:

• Ad Heizwasser: Vor- und Rücklauftemperaturen sind durch das vorhandene

Biogas- Blockheizkraftwerk gegeben. Eine möglichst große Temperaturspreizung

• An das erforderliche Rückkühlwerk werden keine besonderen Anforderungen

hinsichtlich Einhaltung von Lärmgrenzwerten gestellt. Es kann daher ein

günstiges offenes Rückkühlwerk ohne besondere Maßnahmen zur

Schalldämmung gewählt werden.

• Die Kühllast für den Hühnermastbetrieb (siehe Kapitel 6) wurde für die Anfragen

an die Hersteller mit P=280 kW festgelegt.

Marktübersicht


Wirtschaftliche Kriterien

Für die Auswahl der Kälteanlagen wurden nur marktreife Anlagen in Betracht gezogen.

9.3 Auswertung der eingelangten Angebote

Die eingelangten Angebote der Hersteller wurden in der folgenden Auswertematrix

zusammengefasst. Die Kriterien in der Auswertematrix der eingelangten Angebote

gliedern sich nach technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen.

Carrier EAW EAW York GasKlima

Kälteleistung 280kW 200kW 140kW 280kW 280kW

COP 0,708 0,75 0,75 0,738

Kaltwasser-VL 15°C 15°C 15°C 15°C

Kaltwasser-RL 9°C 9°C 9°C 9°C

Wartungsintervall 5J Jahre/ 20.000h 55000h

Leistungsbedarf AKM-Generator 395kW 266,6kW 186,6kW 379

Pel der AKM 8kW 3,6kW 3,4kW 2,6kW

P th Kühlturm 680kW 475kW 330kW 702kW

Pel_nenn Kühlturmventilator 6,8kW 11kW 7,5kW 15kW

Bemerkungen Leistung reicht nur mithilfe vonZusatzanlagen (Wassernebel) aus

Leistung reicht nur mithilfe vonZusatzanlagen (Wassernebel) aus

Auswertungsnote + - - - + +Anschaffungskosten 88.743 € 91.730 € 80.265 € 66.000 € 73.000 €

Betriebskosten

Instandhaltungskosten

Wartungskosten

Amortisationszeit

Kühlturmkosten 15.275 € 27.750 € 21.545 € 32.000 €

Auswertungsnote + + + + +Bemerkungen

Auswertungsnote + + - o + +

Tech

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Ges

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Krit

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Abb. 10: Auswerungsmatrix der Angebote

Die Heizmitteltemperaturen haben einen wesentlichen Einfluß auf das

Betriebsverhalten, den COP und auf die Kälteleistung. Die geforderte Vorlauftemperatur

Tv=90°C konnte von allen angefragten Herstellern eingehalten werden. Die geforderte

Rücklauftemperatur von Tr=70°C war für den Betrieb einer Absorptionskältemaschine

für alle angefragten Hersteller schon zu niedrig. Für einen optimalen Betrieb einer

Marktübersicht


Absorptionskältemaschine mit hohen COP ist nach Auskunft der angefragten Hersteller

eine Rücklauftemperatur des Heizwassers von Tr=75°C erforderlich. Derzeit bietet nur

die Fa. EAW speziell auf die Temperaturniveaus von BHWK abgestimmte

Absorptionskälteanlagen an.

Der elektrische Strom wird neben einem geringen Eigenbedarf für das

Sorptionsaggregat vor allem für die Pumpen im Kühlwasser-, Heizwasser- und

Kaltwasserkreislauf und für den Kühlturm benötigt. Die benötigte elektrische Energie ist

aber im Verhältnis zu einer Kompressionskältemaschine um bis zu 80% geringer /6/,

/18/, /19/. Somit ergibt sich ein wesentlicher Vorteil bei den Betriebskosten einer

Absorptionskälteanlage.

Die Absorptionskältemaschinen der Firma EAW weisen auch bei niedrigen

Heizmitteltemperaturen einen hohen COP auf /20/. Die angebotene Kälteleistung der

Fa. EAW mit 200kW oder mit 140kW (siehe Abb. 10) reicht für den erforderlichen

Kälteleistungsbedarf zur Klimatisierung des Hühnerstallgebäudes nicht aus. Es besteht

jedoch die Möglichkeit die preisgünstigere Kältemaschine der Fa. EAW mit einer

geringeren Kälteleistung vorzusehen, wenn man zusätzliche Maßnahmen (wie z. B.

Wassernebeleinspritzung) vorsieht.

Die Gesamtbewertung der einzelnen Angebote erfolgt auf einer 40%-Gewichtung für die

technischen Bewertungskriterien und auf einer 60%-Gewichtung für die wirtschaftlichen

Bewertungskriterien. Bei den wirtschaftlichen Kriterien sind in erster Linie allgemein

höhere Investitionskosten für eine Absorptionskältemaschine im Vergleich zur

Kompressionskältemaschine zu beachten. Daher wurde auf einen möglichst hohen

COP der AKM geachtet

Marktübersicht


Nach der Auswertung der Angebote und unter Berücksichtigung der technischen und

wirtschaftlichen Randbedingungen ergibt sich für den Hühnermastbetrieb folgende

Empfehlung hinsichtlich der Hersteller:

• Hinsichtlich der Marktreife kommen derzeit für die Stallklimatisierung unter

Nutzung von Abwärme eines Biogas-BHKWs nur Absorptionskältemaschinen mit

dem Arbeitsstoffpaar LiBr / Wasser in Frage.

• Für den Kälteleistungsbereich im Fall des Hühnermastbetriebes bieten die

Hersteller Carrier, York und GasKlima geeignete Absorptioskältemaschinen an.

Die speziell für die Nutzung der Abwärme von BHKWs ausgelegten

Absorptionskälteanlagen sind derzeit nur bis zu einem Leistungsbereich von

200kW erhältlich (zusätzliche Maßnahmen notwendig).

Ergebnisse für den Hühnermastbetrieb


10 Wirtschaftlichkeitsanalyse

10.1 Allgemeines

Die KWKK muss im Wettbewerb mit anderen Kältetechnologien bzw.

Kältedienstleistungen bestehen. Für die einzelne Anwendung liefert der Quervergleich

eine Einschätzung zur Wirtschaftlichkeit der KWKK. Der Kältekunde sucht letztlich eine

preiswerte und sichere Lösung für seine Kälteversorgung, die er mit einem

Kältedienstleister oder mit der eigenen Anlage technisch-wirtschaftlich optimal

realisieren kann.

Bisherige Arbeiten /13/ /14/ kommen zu folgendem Ergebnis hinsichtlich der

spezifischen Betriebs- und Investitionskosten von Kältemaschinen.

Standard-Wasser-LiBr Absorbtionskälteanlagen erzielen bei

Niedertemperaturanwendungen, z. B. Warmwasser 90/80°C Modulgestehungskosten

von etwa 150 bis 200 €/kW installierter Kälteleistung.

AKM-LiBr 80 - 115 8 - 30 0,55 - 0,7 80 - 150

AKM-NH3 100 - 160 8 - 30 0,45 - 0,6 400 - 1250

AKM-se/dl 70 - 90 8 - 55 0,4 - 0,7 250 - 350

ADKM 55 - 95 5 - 13 0,4 - 0,6 350 - 1500

DEC 80 - 90 10 - 25 0,5 - 0,7 325 -650

DSKM 85 - 180 0,5 - 1 60 - 175

KKM 3 - 5 75 - 125

Antriebstemp. °C Auskühlung °C COP Modulpreis Euro/kW

Abb. 11: Technische und ökonomische Parameter thermisch angetriebener Kälteprozesse

Der betriebswirtschaftliche Vorteil von Systemen der KWKK hängt von den jeweiligen

Strombezugskonditionen bzw. von den im Einzelfall anlegbaren Kältepreisen ab.

Allgemeine Aussagen zur Wirtschaftlichkeit eines KWKK Projektes können daher nur

nach Prüfung der gesamten Energiebezugssituation getroffen werden.



Durch die meist niedrige Vollbenutzungsstundenzahl bei der Kälteversorgung ist der

anrechenbare Leistungspreisanteil des Strombezuges neben dem Arbeitspreis

kostenbestimmend.

KKM AKM

COP/Wärmeverhältnis 4 0,7

Antriebsenergie 250 kWhel/MWhth 1400 kWhel/MWhth

Hilfsantriebe 40 -50 kWhel/MWhth 60 -80 kWhel/MWhth

Wasserbedarf 2,5 – 3 m³/MWhth 5 – 6 m³/MWhth

Betriebskosten inkl. Stromleistung*

55 – 58 Euro/MWhth 35 – 39 Euro/MWhth

* Gilt für: Stromleistungspreis 250 DM/kWel/a, Stromarbeitspreis 0,07 Euro/kWhel, Wasser + Abwasser: 2,1 Euro/m³,

Fernwärmepreis: 15 Euro/MWhth (nur für Kältegestehung), Vollnutzungsstunden: 1.000 h/a

Abb. 12: Betriebskostenvergleich zwischen KKM und AKM



In den meisten Anwendungsfällen sind Kältemischpreise von etwa 100-150 €/MWh

anlegbar. Die höheren Fixkosten der KWKK können erst bei ausreichend hohen

Vollbenutzungsstunden durch die im Vergleich zur KKM niedrigeren Betriebskosten

ausgeglichen werden.

Bei der Berechnung der Betriebskosten von KWKK Anlagen ist insbesondere auf die

Kosten des Kühlturmbetriebes hinzuweisen (Wasserverlust, Ventilatorantrieb), die im

Einzelfall zu optimieren sind.

BeispielanlageKälteleistung: 550 kW

Antriebstemperatur 95°C

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

KKM AKM

Regelung,ElektroinstallationIsolierung

Rohrleitungen

Rückkühlwerk

Kältemaschine

Abb. 13: Kostenstruktur einer AKM im Vergleich mit der KKM



10.2 Planungsmerkregeln für KWKK Systeme

10.2.1 Grundlegendes

Die folgenden einführenden, grundlegenden Bemerkungen zu den Planungsmerkregeln

von KWKK Systemen entstammen einer Broschüre aus dem Fachinformationszentrum

Karlsruhe /14/:

• Bei Anbindung einer AKM an ein Nah- oder Fernwärmenetz: Vermeidung von

hydraulischen Restriktionen durch eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur

bzw. eine hohe Temperaturspreizung mit kältegeführter

Vorlauftemperaturregelung.

• Kaltwassertemperaturen sollten dem tatsächlichen Bedarf angepasst werden.

Dies erfordert u. U. niedrigere Antriebstemperaturen für die thermische

Kältemaschine

• Ausnutzen niedrigerer Kühlwassertemperaturen (15-27°C) in der kühlen

Übergangszeit, Regelung nach der Feuchtkugeltemperatur der Umgebungsluft

(unterer Grenzwert der Kühlwassertemperatur im Kühlturm).

• Ausnutzen der Möglichkeiten der Freien Kühlung (Kühlung über das

Rückkühlsystem, für die jedoch eine Anhebung der Kaltwassertemperatur auf

10-14°C notwendig ist).

• In den kühleren Jahreszeiten wird keine Luftentfeuchtung benötigt, sodass im

Regelfall Kaltwassertemperaturen >10°C ausreichend sind.

• Rücklauftemperaturen von 50-60°C sind nur mit mehrstufigen AKM (SE/DL),

ADKM oder DEC-Verfahren zu erzielen.

• Bei Leistungen ab 800kW können die Investitionskosten durch eine Aufteilung

der Kälteerzeuger für Grund- und Spitzenlast gesenkt werden, wobei letztere

über Kaltwasserspeicher oder KKM erbracht wird.

• Eine Erhöhung der Antriebstemperatur ist möglich mit Spitzenlastkesseln oder

mit einer kältegeführten Fernwärmevorlauftemperatur zur kurzzeitigen

Steigerung der Kälteleistung.



10.2.2 Auslegungs- und Optimierungsüberlegungen

Zur Auslegung der Kühl- und Heizaggregate müssen die maximalen Kühl- und

Heizlasten ermittelt werden. Um den Kältebedarf bei Neubauobjekten zu berechnen ist

eine Kühllastberechnung nach VDI 2078 durchzuführen. Eine Systemoptimierung und

die Festlegung des Betriebsregimes ist ohne Kenntnis der zu erwartenden Tages-und

Jahreslastgänge nicht möglich. KWKK wird bisher überwiegend in der Klimatisierung

eingesetzt, bei der aufgrund der äußeren Wärmelasten (Sonnenstrahlung) ausgeprägte

Lastspitzen und niedrige Vollbenutzungsstunden von 500 bis 800 h/a anzutreffen sind

(zum Vergleich: Raumwärme 1500 bis 2500 h/a). Innere Wärmelasten durch Menschen,

Maschinen/EDV gewinnen bei der Auslegung zunehmend an Bedeutung. Dies führt zu

einer Ausweitung und Verstetigung der Kältelast /14/.

In der Praxis scheitert die Realisierung einer KWKK oftmals an falschen

Anlagenkonzepten oder an ungeeigneten Auslegungsparametern, z. B. an der starren

Vorgabe einer Kaltwassertemperatur von 6/12°C. Eine gründliche und fundierte

Planung, die das System und die betrieblichen Wechselwirkungen der Kälteversorgung

bis zum klimatisierten Raum berücksichtigt, kann die Effizienz der KWKK-Anlage

wesentlich erhöhen. Eine von 6 auf 8°C erhöhte Kaltwasservorlauftemperatur

ermöglicht bei gleicher Kälteleistung z. B. eine Senkung der Antriebstemperatur um ca.

4K. Zu beachten sind darüber hinaus Aufstellungsbedingungen sowie

Schallschutzanforderungen (besonders wichtig: Schallemissionen der Kühltürme), die

ggf. zu Zusatzinvestitionen und höheren Betriebskosten (Strombedarf der

Kühlturmventilatore) führen können.



10.3 Wirtschaftlichkeitsanalyse für die Hühnermaststallklimatisierung

Die Investitionskosten für die berechnete Kälteanlage betragen inklusive Rückkühlwerk

von 350 bis 730 €/kW (laut Angeboten) und stellen im Vergleich zur KKM einen

wesentlich höheren Betrag dar.

Die betriebsgebundenen Kosten enthalten Kosten für Wartung, Instandhaltung und

Verbrauchsmaterialien betragen für Absorptionskältemaschinen ca. 2,5% der

Investitionssumme (Herstellerangaben). Für die angebotenen Anlagen ergeben sich

damit Betriebskosten von 1650 bis 2300 €/a.

Da die Wirtschaftlichkeitsberechnung wegen der Nichtverfügbarkeit wesentlicher Daten

nicht wie vorgesehen nach VDI 2067 durchgeführt werden konnte werden im folgenden

die wesentlichen Nutzenaspekte qualitativ dargestellt:

• Produktivitätssteigerung aufgrund des verbesserten Stallklimas (Behaglichkeit)

• Produktivitätssteigerung durch eine zusätzliche Gewichtszunahme

• Produktivitätssteigerung durch eine Verringerung der Tierverluste

Aus obigen geht hervor, dass für eine quantitative Wirtschaftlichkeitsuntersuchung

weiterführende Arbeiten zu diesem Thema notwendig sind.



11 Ergebnisse der Machbarkeitsstudie für den Hühnermastbetrieb

11.1 Ergebnisse der wärmetechnischen Untersuchung

Im Rahmen einer avancierten Untersuchung kamen neben dem Auslegungspunkt (gem.

Kap. 6) weitere 17 Betriebspunkte in Betracht. Die Parameter zur Bestimmung der

insgesamt 18 analysierten Betriebszustände (Luftwechselzahl: Höchst- und

Mindestsommerrate gem. DIN 18 910, Innenraumtemperatur: entsprechend dem

Optimum, sowie Feuchtigkeitsgrad der Außenluft: erfahrungsgemäße Variationsspanne,

Feuchtigkeitsregelung der Stallluft) wurden innerhalb der Behaglichkeitsgrenzen bzw. bis

zum kritischen Bereich variiert. Die Außenlufttemperatur und die erforderliche relative

Feuchtigkeit (bei Feuchtigkeitsregelung) im Stallinneren blieben wie unter Kap. 6

angegeben. Das Resultat ermöglichte gem. Abb. 14 die Erweiterung der

Anforderungsspanne bei der Angebotsauswertung und bildete mit die

Benotungsgrundlage bei der Erstellung der Bewertungsmatrix. Die dazugehörigen

Berechnungstabellen sind dem Anhang A8 zu entnehmen

(A)

(B)

(C)

Erforderliche Kühllast ohne Feuchtigkeitsregelung der Stalluft

Erforderliche Kühllast bei 50% Außenluftfeuchtigkeit und Feuchtigkeitsregelung der Stalluft


Kälteleistungsbedarf beinL 15 h-1

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

24 °C 25 °C 26 °C 27 °C 28 °C 29 °C 30 °C 31 °C 32 °C

I n n e n r a u m l u f t t e m p e r a t u r

K ä

l t e

l e

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(C)

(B)

(A)

Kälteleistungsbedarf bei nL 20 h-1

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

24 °C 25 °C 26 °C 27 °C 28 °C 29 °C 30 °C 31 °C 32 °C


K ä

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u n

g s

b e

d a

r f

(A)

(B)

(C)

Abb. 14: Kälteleistungsbedarfskurven bei einer Parametervariation



Die Gegenüberstellung der zwei Diagramme in der Abb. 14 veranschaulicht die

Abhängigkeit des Kältebedarfes von der Luftwechselzahl. Eine ca. 20%-ige Minderung

des Kältebedarfs im Auslegungspunkt kann demzufolge in den kritischsten

Tagesstunden allein durch die (zulässige) Senkung der Luftwechselrate von 20 h-1 auf 15

h-1 erzielt werden.

Ein weiteres Potential liegt im Einsatz einer Feuchtigkeitsregelung, allerdings nur dann,

wenn die Außenluftfeuchtigkeit unter etwa 45% liegt. Der Verlauf der blauen Kurve tief in

den Negativbereich zeigt z.B., dass bei 40% Außenluftfeuchtigkeit allein über den

Verdunstungswärmeentzug eine Innenraumtemperatur von ca. 29,5° erreicht werden

könnte. Steigt allerdings die Außenluftfeuchtigkeit auf 50%, so bringt die theoretische

Kälteanlage gem. Kap.6 die notwendige Leistung nicht mehr zusammen, um die

Raumtemperatur auf 28°C herabzusetzen. Bei 60% Außenluftfeuchtigkeit kann man nur

noch durch die Reduzierung der Luftwechselrate den kritischen Temperaturbereich

vermeiden und bei 70%-iger Außenluftfeuchtigkeit könnte man es nur durch eine

unabhängige Entfeuchtungsanlage schaffen, die Stalltemperatur unter der kritischen

Marke von 31°C zu halten, es sei denn, die Stallluftfeuchtigkeit dürfte über den

Optimumswert von 70% hinaus mit ansteigen.

Künstliche Luftbefeuchtung bleibt also aus Sicht der Energiebilanz nur dann sinnvoll,

wenn (wie in unserem Studienfall) die Innentemperatur die 26°C Marke überschreiten soll

und wenn gleichzeitig die Außenluftfeuchtigkeit unter der 45% Marke liegt. Jenseits

dieser Grenzen läuft Gefahr, dass die Verdunstung des zugeführten Wassernebels nicht

mehr stattfindet. Im Extremfall kann sogar der Sättigungswert erreicht werden und in

weitere Folge, bei gezwungener Temperaturabsenkung kann sogar exotherme

Kondensation auftreten. Das Problem bei der Ausnutzung der Verdunstkühlung besteht

aber vor allem in den willkürlichen Schwankungen der Feuchtigkeit der zuzuführenden

Außenluft um die 40% Marke herum und damit in der Unzuverlässigkeit dieses

Verfahrens. Der Einsatz einer Absorptionsmaschine stellt hingegen eine verlässliche

Allwetterlösung dar.



Die Abb. 15 zeigt im Lichte der Leistungsbilanz die schematische Anordnung einer

Kältemaschine begleitet von der notwendigen Umleitung des Motorkühlkreises

Schaltkreis schwarz:bestehendes BHKW

Schaltkreis rot:Absorptionskreis

bzw. Hilfskreis

Motorabwärme

Notkühler-Abwärme

Abzugswärme

VKMGener.

Stallabfall

Motorabwärme

Nutzwärme für denHaushaltsbedarf

Kälteanlagen- Abwärme

Abgas

Elektrische Energie Biogas

Ti - RegelungAbsorption-Kälteanlage

Vergasungs-anlage

Neustall

wärmeMotorkühl-

Abfall-behälter

Abgas

Altstall

Not-Kühler

Abb. 15: Anordnungsprinzip der einzusetzenden Kältemaschine



11.2 Ergebnisse der Marktuntersuchung

Zur Nutzung der Abwärme von einem vorhandenen Biogas-BHKW zur Kälteerzeugung

ist für diesen Studienfall nur eine marktreife Kälteanlage in Betracht zu ziehen. Als

Kältetechnologie der Wahl ergab die Marktrecherche für den zu betrachtenden

Leistungsbereich die Absorptionskältemaschine mit dem Arbeitsstoffpaar Li/Br /Wasser.

Die erforderliche Kühllast für den Hühnermastbetrieb kann auf zwei Arten erreicht

werden. Man wählt eine Kälteanlage in den entsprechenden Kälteleistungsbereich von

P=280kW und nimmt die anlagebedingten höheren Investitionskosten in Kauf, bzw. wählt

man eine Kälteanlage im Leistungsbereich von P=140kw oder P=200kW und sieht noch

zusätzliche Maßnahmen (z. B. Wassernebeleinspritzung in den Stallraum) vor.

11.3 Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung




Die betriebsgebundenen Kosten enthalten Kostenanteile für Wartung, Instandhaltung

und Verbrauchsmaterialien. Sie betragen für Absorptionskältemaschinen ca. 2,5% der




nicht wie vorgesehen nach VDI 2067 durchgeführt werden konnte können allfällige

Nutzenaspekte ausschließlich qualitativ dargestellt werden.

Ergebnisse für den Schweinemastbetrieb


12 Ergebnisse für den Schweinemastbetrieb

12.1 Einleitung

Die Ergebnisse der ausführlichen Studie zum Einsatz einer Kältemaschine im ersten

Untersuchungsfall (Hühnermastbetrieb) sollen in weiterer Folge im Rahmen eines

Vergleichsverfahrens unter Berücksichtigung der spezifischen Gegebenheiten auf einen

Schweinemastbetrieb übertragen werden.

12.2 Studienfall Schweinemastbetrieb

Dazu wurde ein Schweinemastbetrieb herangezogen, welcher in mehreren autonomen

Bereichen innerhalb der Stallanlage Platz für ca. 1.000 Ferkel und 240 Mastschweine

bietet und über ein Biogas-Blockheizkraftwerk verfügt. Der Landwirt züchtet in der

Regel die Ferkel von Geburt an bis zu einem Lebendgewicht von ca. 32 kg. Bei dieser

Größe lässt sich der Großteil der Tiere mit Ausnahme der optisch unattraktiven

Jungschweine verkaufen. Die letzteren werden als Mastschweine weiter gehalten und

bis zu einer Schlachtgröße von ca. 115 kg weitergezüchtet.

12.3 Aufgabenstellung

Das Verbesserungspotential liegt hier, verglichen mit der Problematik beim

Hühnermastbetrieb weniger in der Herabsetzung der Sterblichkeitsrate, als vielmehr in

der Erhöhung der Produktivität der Mastschweine durch eine weitgehende

Stabilisierung der Innenraumtemperatur während der Sommermonate (nicht mehr als

±2°C Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht). Der Landwirt erhofft sich

dadurch einerseits eine geringere Anfälligkeit gegenüber Erkrankungen und

andererseits eine erhöhte Gewichtszunahme der Tiere durch eine erhöhte Qualität des

Stallklimas. Es war daher zu Prüfen, ob diese Zielsetzung durch den Einsatz einer

Kältemaschine zu erreichen ist.



12.4 Vorgehensweise

Struktur, Methode und Formalismus der Hauptstudie (gem. Kap.4) wurden auch hier in

angepasster Form angewendet.

12.5 Bestandsaufnahme vom Schweinemastbetrieb

Wie im Falle der Geflügelfarm erbot sich auch hier bei einem Vorortbesuch die

Möglichkeit einer umfassenden Bestandsaufnahme. Eigenbeobachtungen,

Betreibergespräche, zugehörige technische Anlagenpläne und Fotomaterial wurden

gesichtet und in weiterer Folge aufgearbeitet und anschließend tabellarisch erfasst

(siehe Anhang 10). Die wichtigsten Betriebsdaten als Basis für die vorliegende

Untersuchung entstammen einem ausführlichen Gespräch mit dem Betriebsführer des

Schweinemastbetriebes. Die Gespräche mit dem Betreiber lassen auf ein fundiertes

technisches und landwirtschaftliches Wissen des Betriebsführers schließen und zeigen

weiters eine große Eigeninitiative hinsichtlich der Verbesserung bei der technischen

Ausführung und beim Betrieb des Biogas-Blockheizkraftwerkes.

• Gebäude- und Anlagendaten

Der Schweinemastbetrieb unterscheidet sich vom Hühnermastbetrieb (siehe Kap. 5) im

Wesentlichen durch Struktur, Raumgröße (Ferkelsektor: 510 m2 und 1960 m3 bzw.

Mastschweinsektor: 193 m2 und 645 m3) und durch strenge bestandkonforme

Kompartimentierung in 6 räumlich getrennte Stallbereiche.

Die beim Schweinestall angewandte Bauweise unterscheidet sich maßgeblich von der

des Hühnerstalls. Die Wände und Decke des Stallgebäudes wurden hier aus

Sandwichpaneelen mit hervorragenden Wärmedämmeigenschaften (k = 0,17 W / m2K)

erbaut. Die vernachlässigbare Wärmespeichermasse dieser Mauerwerkart ermöglicht

bei gut funktionierender und richtig eingestellter Regelung eine rasche Anpassung der

Innenraumtemperatur, bietet jedoch gleichzeitig gerade dadurch keine Rückfallebene

bei Regelungsausfällen an. Da der Stallkomplex knapp an der Grundstückgrenze

errichtet wurde, konnten hier zur Beschattung keine Baumvorhänge eingesetzt werden,

die Stallgebäude sind daher ungeschützt der Sonnenstrahlung ausgesetzt.

Die gesamte Schweinstallanlage verfügt über keine herkömmlichen Fenster. Die zur

Tagesbeleuchtung angebrachten Glasbausteine im Bereich der Oberlichte sind

eingemauert und lassen sich nicht öffnen. Die Lüftung des Stallgebäudes erfolgt daher



ausschließlich auf mechanischer Basis: insgesamt 7 Ventilatoren mit einer Vollast-

Durchsatzmenge von je 16.000 m3/h versorgen die 6 separaten Stallbereiche der

Stallanlage.

Die Biogasqualität ist hier infolge des überwiegend verwendeten Anteils an Maissilage

im Vergleich zur Biogasanlage vom Hühnermastbetrieb wesentlich höher. Der

Methangehaltsanteil des erzeugten Biogases erreicht in der Regel über 54%.

Überhöhte Schwefel- und Ammoniakwerte stellen hier im Gegensatz zum

Hühnermaststall kein Problem dar. Das Biogas-Blockheizkraftwerk JMS 212 GS-B.LC

mit 500 kW elektrischer Leistung und einer gesamten Abwärmeleistung von 621 kW bei

einer Ein- / Austrittstemperatur von 90-92°C/68-70°C ist ebenfalls ein Produkt der

Jenbacher Energiesysteme AG.

• Betriebsdaten

Im Rahmen des Gesprächs mit dem Landwirt stellten sich aufgabenbezogene

Sachverhalte heraus, welche eine im Vergleich zum Hühnerzuchtwesen spezifische

Lösung im Sinne der Aufgabenstellung erfordern. Mit ca. 1,8% bei Ferkeln respektive

3% bis 3,3% bei den ausgewachsenen Tieren liegt die Sterblichkeitsrate unter den

Schweinen auf einem wesentlich geringeren Niveau als bei Hühnern und ist übrigens

nicht unbedingt der Innenraumtemperaturschwankung zuzuschreiben. Die Frage der

Stallklimatisierung ist vielmehr in Verbindung mit Behaglichkeitssteigerung und somit in

der Erhöhung der Qualität der Ferkel und Mastschweine der Stallleistung zu sehen.

In Schweinezuchtwesen liegt unter anderen eine wesentlich geringere Sommerspanne

der Soll-Innenraumtemperatur (26-28°C im Vergleich zu 20-31°C bei der

Hühnerhaltung) vor, wobei die Überschreitung dieser Grenzwerte binnen eines Tages

zur raschen Ausbreitung von Krankheiten führt. Was die relative Luftfeuchtigkeit

anbelangt, so liegt ihr Soll-Wert in etwa gleich wie bei der Hühnerhaltung (bei ca. 70% ),

die Zielsetzung liegt beim untersuchten Schweinemastbetrieb (im Gegensatz zum

Hühnermastbetrieb) in der Entfeuchtung der zugeführten und ev. abgekühlten

Innenluftmasse.

Die optimale Innenraumtemperatur in Schweinställen variiert je nach

Altersgruppe/Gewichtklasse zwischen 23-24°C für ausgewachsene Mastschweine und

30-32°C für neugeborene Ferkel. Bei der mehrheitlichen Gruppe von Ferkeln von

ca. 30kg liegt das Optimum der Innenlufttemperatur bei ca. 28°C. Wie unter Kapitel 12.3



erwähnt, ist in diesem Falle eine Herabsetzung der Stalltemperatur in den heißesten

Sommertagen, ausgehend von einer Außenlufttemperatur von 35°C auf 25°C durch den

Einsatz einer Kältemaschine mit fortschrittlicher Regelung zu gewährleisten.

Ernsthafte Schwierigkeiten bringt außerdem die Übergangszeit mit sich. Als kritisch

kann in dieser Hinsicht der Monat April betrachtet werden, wo man mit bis zu 15°C Tag-

Nachtspannen (25°C am Tag vs. 10°C in der Nacht) rechnen muß.

12.6 Kühllastberechnung

Die Bestimmung des Auslegungspunktes für die Kältemaschine erfolgte ähnlich wie im

Hauptstudienfall. Die Auslegungstemperatur entstammt der Richtlinien der DIN 18 910.

Sie beträgt im Mastschweinsektor 25°C, und im Ferkelbereich 28°C. Die

Parameterwerte, welche den Punkt quantitativ bestimmen sind in tabellarischer Form

dargelegt dem Anhang A10 zu entnehmen. Die Berechnung ergab den Wert:

PKB = 277 kW

Die Kältebedarfstruktur ist in der Abb. 16 zu sehen, die dazugehörigen Zahlenwerte

sind ebenfalls dem Anhang A10 zu entnehmen.


Ps4 kW1,4 %

Pi47 kW16,9 %

PL227 kW81,7 %

Abb. 16: Struktur des Kältebedarfs im Auslegungspunkt für den Schweinemastbetrieb



Im Gegensatz zum Studienfall Hühnermastbetrieb blieb im Rahmen dieser

Untersuchung für den Schweinemastbetrieb die Verdunstungsleistung bei der

Berechnung des Kältebedarfs unberücksichtigt. Das Zusammenwirken anderer

wesentlicher Parameter (Transpiration, Wasserausscheidung durch Atem,

Harnausscheidung, etc.) macht hier zu einer genaueren Aufnahme der Ist-Situation

weitere Erhebungen vor Ort notwendig. Es ist jedoch aus heutiger Sicht festzustellen,

dass die Errichtung einer Stallentfeuchtungsanlage zur Einhaltung der

DIN 18910-Richtlinien notwendig ist.

Dem errechneten Bedarf steht hier ein Angebot an Motorabwärmeleistung im Wert von

621 kW gegenüber. Dies entspricht einem theoretischen Mindestwirkungsgrad der

Kälteerzeugung von 41%, was dem heutigen Stand der Technik entsprechend dem

üblichen Marktangebot von 60% bis 70% unterschreitet.



12.7 Untersuchungsergebnisse für den Schweinemastbetrieb

• Ergebnisse der Kältelastberechnung

Wie im Falle des Hühnerstalls wurden auch hier anlässlich der Detailanalyse mehrere

Betriebspunkte betrachtet. Als einziger Parameter kam diesmal die Innenlufttemperatur

der zwei Stallbereiche im Betracht, welche um den jeweiligen Auslegungspunkt

(25°C bei Mastschweinen bzw. 28°C bei Ferkeln) um Tauslegung ±3°C variiert wurde,

während die Außentemperatur bei Ta = 35°C im Auslegungspunkt blieb. Die Abb. 17

veranschaulicht die Abhängigkeit der erforderlichen Kühllast von der

Auslegungstemperatur der Stallluft.

(A )

(B )

(C )

(A ) E rfo rderliche r K üh lle istungsbedarf der G esam tsta llan lage

(B ) E rfo rderliche r K üh lle istungsbedarf im F erke lbere ich

(C ) E rfo rderliche r K üh lle istungsbedarf im M astschwe inbere ich

E rfo rderliche K üh llast o h n e F euchtigke itsrege lung der S ta llu f t

E rfo rderliche K üh llast be i 50% A uß en lu f tfeuch tigke it und F euch tigke itsrege lung der S ta llu f t

E rfo rderliche K üh llast be i 40% A uß en lu f tfeuch tigke it und F euch tigke itsrege lung der S ta llu f t

K ä lteb e d a rf im S c hw e in s ta ll

kW

50 kW

100 kW

150 kW

200 kW

250 kW

300 kW

350 kW

400 kW

1 ° C 2 ° C 3 ° C 4 ° C 5 ° C 6 ° C 7 ° C 8 ° C 9 ° C

I n n e r a u m l u f t t e m p e r a t u r

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(B ) (A )

(C )T au sleg un g

25°C22°C

31°C28°C

28°C25°C

Abb. 17: Kühllastkurven der einzelnen Stallbereiche

Der hohe Anteil der Luftkälteleistung (über 80%) am Gesamtkältebedarf

(siehe Abb. 16) macht sich dadurch bemerkbar, dass die zusammengesetzte

Kaltlastkurve in verhältnismäßig steil ist. Die zur Verfügung stehende Motorabwärme

(621 kW) wurde hier bei weitem ausreichen, um den Höchstleistungsbedarf

(ca. 370 kW) zu decken, der theoretisch erforderliche Wirkungsgrad wäre auch in einem

solchen Extremfall nicht größer als 60%. Die praktische Relevanz dieses Resultats

besteht aber hauptsächlich in der Möglichkeit der Entfeuchtung der Stalluft mithilfe der

Kältemaschine.



12.8 Voranfragen an die Hersteller

Die Anfrage an die Hersteller wurde unter folgenden Randbedingungen durchgeführt.

Für die Technologie der Kältemaschine wurde eine Absorptionskältemaschine mit dem

Arbeitsstoffpaar LiBr / Wasser ausgewählt.

Der erforderliche Kälteleistungsbedarf aus der Kühllastberechnung (siehe Kapitel 12.6)

wurde für die Anfragen auf P=280kW aufgerundet. Eine geringere Kälteleistung wird nur

in Kombination mit zusätzlichen Maßnahmen (z. B. Wassernebeleinspritzung)

angeführt.

12.9 Auswertung der Angebote für den Schweinemastbetrieb

Alle eingelangten Angebote der Hersteller wurden in einer Auswertematrix

zusammengefasst (siehe Abb. 18). Die Kriterien sind wieder nach technischen und

wirtschaftlichen Parametern gegliedert.

Carrier EAW Gas-Klima York

Kälteleistung 280kW 200kW 280kW 280kW

COP 0,708 0,75 0,738

Kaltwasser-VL 15°C 15°C 15°C

Kaltwasser-RL 9°C 9°C 9°C

Wartungsintervall 5J Jahre/ 20.000h 55000h

Leistungsbedarf AKM-Generator 395kW 266,6kW 379

Pel der AKM 8kW 3,6kW 2,6kW

P th Kühlturm 680kW 475kW 702kW

Pel_nenn Kühlturmventilator 6,8kW 11kW 15kW

Bemerkungen Leistung reicht nur mithilfe vonZusatzanlagen (Wassernebel) aus

Auswertungsnote + - - + + +Anschaffungskosten 88743 91730 73000 66000

Betriebskosten

Instandhaltungskosten

Wartungskosten

Amortisationszeit

Kühlturmkosten 15275 27750 32000

Auswertungsnote + + - - - +Bemerkungen

Auswertungsnote + + - - o + +

Tech

nisc

he K

riter

ien

Wirt

scha

ftlic

he K

riter

ien

Ges

amt.

Krit

erie

n

Abb. 18: Auswertungsmatrix für den Schweinemastbetrieb



Die angebotene Kälteleistung der Fa. EAW mit 200kW (siehe Abb. 10) reicht für den

erforderlichen Kälteleistungsbedarf zur Klimatisierung des Hühnerstallgebäudes nicht

aus. Es besteht jedoch die Möglichkeit die preisgünstigere Kältemaschine der Fa. EAW

mit einer geringeren Kälteleistung vorzusehen, wenn man zusätzliche Maßnahmen (wie

z. B. Wassernebeleinspritzung) vorsieht.

12.10 Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsanalyse - Schweinestallklimatisierung




Die betriebsgebundenen Kosten enthalten Kostenanteile für Wartung, Instandhaltung

und Verbrauchsmaterialien. Sie betragen für Absorptionskältemaschinen ca. 2,5% der




nicht wie vorgesehen nach VDI 2067 durchgeführt werden konnte können allfällige

Nutzenaspekte ausschließlich qualitativ dargestellt werden.

Schlussfolgerungen und Ausblick


13 Schlussfolgerungen und Ausblick

13.1 Zusammenfassung und Interpretation der Ergebnisse

Ab einer Außentemperatur von 14-16°C wird der Wärmebedarf für die Raumheizung

vernachlässigbar gering. Die Klimakälteerzeugung zur Stallklimatisierung mit thermisch

angetriebenen Kältemaschinen stellt ein optimiertes System zur besseren Nutzung von

Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen im Biogasbereich dar.

Aufgrund der durchgeführten Marktrecherche eignet sich zurzeit die

Absorptionskältemaschine mit dem Arbeitsstoffpaar LiBr/Wasser als marktreife

Technologie der Wahl.

Beim Betriebskostenvergleich sind die erzielbaren Stromkosten der entscheidende

Wirtschaftlichkeitsfaktor. Obwohl im Allgemeinen die Abwärme aus Biogas-BHKWs

unentgeltlich zur Verfügung steht, ist mit erheblichen Mehrinvestitionen für eine KWKK

zu rechnen. Die Investitionskosten für eine AKM liegen mitunter beträchtlich über jenen

der KKM.

Im folgenden sind die quantitativen Nutzenaspekte der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung zur

Stallklimatisierung (Hühner- und Schweinemastbetrieb) dargestellt:

• Produktivitätssteigerung aufgrund des verbesserten Stallklimas (Behaglichkeit)

• Produktivitätssteigerung durch eine zusätzliche Gewichtszunahme

• Produktivitätssteigerung durch eine Verringerung der Tierverluste

• Verringerung der Ammoniakemissionen

• Verringerung der CO2 Emissionen

• Verbesserung der Besamungsergebnisse

Aus obigen geht hervor, dass für eine quantitative Wirtschaftlichkeitsuntersuchung

weiterführende Arbeiten zu diesem Thema notwendig sind.



In der Abb. 19 wird der Zusammenhang zwischen dem Kälteleistungsbedarf in

Abhängigkeit von der Innenraumtemperatur für die zwei untersuchten Anwendungsfälle

verdeutlicht.

(A)

(B)

(C)

(A)

(B)




Erforderliche Kühllast des Hühnerstalls ohne Feuchtigkeitsregelung

Erforderliche Kühllast des Schweinstalls ohne Feuchtigkeitsregelung

Kältebedarf: Hühnerstall und Schweinstall

150 kW

200 kW

250 kW

300 kW

350 kW

400 kW

1 °C 2 °C 3 °C 4 °C 5 °C 6 °C 7 °C 8 °C 9 °C


K ä

l t e

l e

i s t

u n

g s

b e

d a

r f

(B)

(A)

T auslegung

25°C22°C

31°C28°C

28°C25°C

Abb. 19: Gegenüberstellung der Kaltlastkurven zu den zwei Studienfällen

13.2 Grenzen der vorliegenden Untersuchung

Wie im Kapitel 4 erwähnt, basieren die Arbeitshypothesen der vorliegenden

Untersuchung auf einer Vororterhebung von Betriebsdaten, bei welcher die Aussagen

des Hühnerstallsbesitzers im Vordergrund standen. Atypische Sommertemperaturen

sowie die Terminplanung bzw. Ressourcenknappheit erlaubten keine messtechnischen

Vororterhebungen von Temperaturkurven bzw. Betriebsdaten. Die Korrelation zwischen

der Hühnersterblichkeit und dem Innenraumtemperaturverlauf in der oberen Zuchthalle

des Altstalls konnte daher nicht gründlich belegt werden (es wurden einige theoretische

Annahmen getroffen). Ebenso unbelegt blieb der Verlauf der relativen Luftfeuchtigkeit

über die Betriebszeit.



Thermodynamische Systeme sind vergleichsmäßig träge Systeme. Man sollte daher bei

Folgeuntersuchungen auch die Reaktionsfähigkeit der aus Sicht der Autoren eher

dürftigen Regelungskreise näher betrachten. Da hier prekäre Zustände herrschen, ist

anzunehmen, dass zurzeit der adäquaten Reaktionskurve des Hühnerbauers eine

ergänzende, wesentliche Rolle beim Vermeiden kritischer Betriebswerte beizumessen

ist. Auch in dieser Hinsicht konnten aus oben geschilderten Gründen keine

Verhaltensmuster in Normal- bzw. Krisensituationen erhoben werden. Daher:

13.3 Begleitende Maßnahmen

Hauptgegenstand der vorliegenden Studie war die Überprüfung der

Einsatzmöglichkeiten einer Kältemaschine zur künftigen Vermeidung kritischer

Zustände im Hühnerstall. Die Durchführung der Untersuchung ermöglichte es

andererseits einen tieferen Einblick in die Problematik des Hühnermastbetriebes und

daraus ließen sich einige weiterführenden Überlegungen zur Verbesserung der

Stallklimatisierung ableiten. Diese Nebenprodukte der Studie werden im Folgenden

stichwortartig aufgelistet. Diese Maßnahmen sind jedoch im Falle einer praktischen

Umsetzung des Untersuchungsvorhabens in einer anschließenden, weiterführenden

Studie separat zu untersuchen:

• Überbrückung der Heißwasserleitungen der Stallheizstrahler durch Verlegung

neuer Versorgungsleitungen zur Absorptionskältemaschine, welche in der

unmittelbaren Nähe des Altstalls untergebracht werden soll (siehe dazu Abb. 15,

Seite 44).

• Feuchtigkeitsregelung zur Ausnutzung der Verdunstungskühlung (nur bei

Außenlufttrockenheit möglich, wenn fr < 45%) bzw. zur Stalleistungssteigerung.

• Einbau einer avancierten Klimakontrollregelung unter Berücksichtigung aller

relevanten Parameter wie: der Außen- und Innenlufttemperatur bzw. relativer

Luftfeuchtigkeit innen und außen, der thermischen Systemträgheit infolge der

Speichermassen und der Lufttemperaturgradienten.

• Aufzeichnung von Luftfeuchtigkeits- und Innentemperaturverläufen zur künftigen

Dokumentierung kritischer Stallzustände und zur Ermöglichung von

Vergleichsanalysen und Erarbeitung von maßgeschneiderten Problemlösungen.



13.4 Ausblick

Zur weiteren Vorgehensweise wird folgendes vorgeschlagen:

Ermittlung der realen Kostenstrukturen im Rahmen einer Funktionalausschreibung.

Realisierung einer Demonstrationsanlage mit technisch wissenschaftlicher

Begleitforschung zu den folgenden Aspekten:

• Mögliche Gewichtszunahme durch Steigerung der Behaglichkeit in

landwirtschaftlichen Stallungen

• Vergleich der Sterblichkeitsraten von klimatisierten und nicht klimatisierten

landwirtschaftlichen Stallungen

• Messung der möglichen Verringerung von Ammoniak und CO2-Emissionen in

Schweinemastställen

• Überprüfung der Verbesserung von Besamungsergebnissen in

Schweinemastställen

Literaturverzeichnis


Literaturverzeichnis

/1/ LGB Landesgesetzblatt für Tirol, 1995 September 7

/2/ TVT Tierärztliche Vereinigung für Tierschutz e.V., Merkblatt Nr. 13, 1997

/3/ DIN 18 910 „Wärmeschutz geschlossener Ställe – Wärmedämmung und Lüftung – Planungs- und Berechnungsgrundlage“ Ausgabe 1992

/4/ Gilli, P.V.: Skriptum Wärmetechnik Grundvorlesung, Institut für Wärmetechnik, TU-Graz, 1990

/5/ Gilli, P.V.: Thermische Stoffwerte zur Wärmetechnik, Institut für Wärmetechnik, TU-Graz, 1993

/6/ Recknagel, H. / Sprenger, E. et al: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München, Wien: R. Oldenburg Verlag: 2004

/7/ EVA: Einspeiseregelung in den Bundesländern, Österreichische Energieverwertungsagentur, http://www.eva.wsr.ac.at/enz/eispeis_at.htm, Wien 2001

/8/ Reetz, B./ Edler, A.: Die technischen Möglichkeiten zur Stromerzeugung aus Biomasse, Vortrag 5. Österreichischer Biomassetag September 1996, Institut für Wärmetechnik, Graz 1996

/9/ Pischinger, R.: Skriptum Kolbenmaschinen Grundvorlesung, Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik,

/10/ Pischinger, R.: Skriptum Thermodynamik, Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik, TU Graz 1989

/11/ BHKW Infozentrum http://www.bhkw-info.de

/12/ Persönliche Information: ILK TU Dresden

/13/ Vortrag: Ingenieurbüro IGEU-München auf der 10. europäischen Biomasse Konferenz 1998 in Würzburg

/14/ BINE Profinfo II/98

/15/ BINE Fachinformatonszentrum Karlsruhe: klimatisierung mit wässriger Salzlösung. Projektinfo, 2002

/16/ EWA Energieanlagenbau GesmbH-Westerfeld: persönliche Mitteilung

/17/ ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.: Marktübersicht Absorptionskälteanlagen, Angebot und Anbieter, Kaiserslautern 2002

/18/ York: Firmenunterlagen zu Absorptionskälteanlagen, Wien 2004

/19/ Carrier: Firmenunterlagen zu Absorptionskälteanlagen, Linz 2004

/20/ EAW: Firmenunterlagen zu Absorptionskälteanlagen, 2004

Abbildungsverzeichnis


Abbildungsverzeichnis

ABB. 1: GEGENÜBERSTELLUNG DER KLIMARELEVANTEN BEDINGUNGEN IN DEN DREI

HÜHNERSTÄLLEN DES HÜHNERMASTBETRIEBES .................................................................................. 9 ABB. 2: ENERGIEKREIS IM ALTEN HÜHNERSTALL DES HÜHNERMASTBETRIEBES.............................. 11 ABB. 3: STRUKTUR DES KÄLTEBEDARFS IM AUSLEGUNGSPUNKT .......................................................... 13 ABB. 4: KREISPROZESSVERLAUF DER ABSORPTIONSKÄLTEMASCHINE IM T, S DIAGRAMM............ 16 ABB. 5: PRINZIP DER ABSORPTIONSKÄLTEMASCHINE ................................................................................ 18 ABB. 6: PRINZIPSCHALTBILD DER ADSORPTIONSKÄLTEMASCHINE ....................................................... 21 ABB. 7: PRINZIP EINES DAMPFSTRAHLKÄLTEPROZESSES .......................................................................... 22 ABB. 8: PRINZIP DER SORPTIONSGESTÜTZTEN KLIMATISIERUNG ........................................................... 23 ABB. 9: TYPISCHER ANTRIEBSWÄRMEBEDARF EINER KÄLTEMASCHINE (400KWTH) .......................... 26 ABB. 10: AUSWERUNGSMATRIX DER ANGEBOTE.......................................................................................... 33 ABB. 11: TECHNISCHE UND ÖKONOMISCHE PARAMETER THERMISCH ANGETRIEBENER

KÄLTEPROZESSE ............................................................................................................................................ 36 ABB. 12: BETRIEBSKOSTENVERGLEICH ZWISCHEN KKM UND AKM........................................................ 37 ABB. 13: KOSTENSTRUKTUR EINER AKM IM VERGLEICH MIT DER KKM................................................ 38 ABB. 14: KÄLTELEISTUNGSBEDARFSKURVEN BEI EINER PARAMETERVARIATION ............................ 42 ABB. 15: ANORDNUNGSPRINZIP DER EINZUSETZENDEN KÄLTEMASCHINE.......................................... 44 ABB. 16: STRUKTUR DES KÄLTEBEDARFS IM AUSLEGUNGSPUNKT FÜR DEN

SCHWEINEMASTBETRIEB ............................................................................................................................ 49 ABB. 17: KÜHLLASTKURVEN DER EINZELNEN STALLBEREICHE .............................................................. 51 ABB. 18: AUSWERTUNGSMATRIX FÜR DEN SCHWEINEMASTBETRIEB.................................................... 52 ABB. 19: GEGENÜBERSTELLUNG DER KALTLASTKURVEN ZU DEN ZWEI STUDIENFÄLLEN ............. 55 ABB. 20: NEUER HÜHNERSTALL, BESTANDSAUFNAHME ............................................................................ 62 ABB. 21: HÜHNERSTALL, NORDWESTSEITE .................................................................................................... 62 ABB. 22: ALTER HÜHNERSTALL, FENSTERWERK........................................................................................... 63 ABB.23: ALTER HÜHNERSTALL, LUFTVENTILATOR ABB. 24: NEUSTALL-VENTILATOR................. 63 ABB. 25: BIOGASANLAGE DER GEFLÜGELFARM ........................................................................................... 64 ABB. 26: NEUSTALL DER GEFLÜGELFARM, NORDWESTSEITE ................................................................... 64 ABB. 27: NEUSTALL DER GEFLÜGELFARM, ZUCHTHALLE.......................................................................... 65 ABB. 28: BHKW-MASCHINENHAUS DER GEFLÜGELFARM........................................................................... 65 ABB. 29: NEUSTALL DER GEFLÜGELFARM, DECKENRADIATOR ............................................................... 66 ABB. 30: NEUSTALL DER GEFLÜGELFARM, LÜFTUNGSSPALTE................................................................. 66 ABB. 31: PLANSKIZZE DES ALTEN HÜHNERSTALLGEBÄUDES................................................................... 68 ABB. 32: GEBÄUDEDATEN VOM ALTEN HÜHNERSTALL.............................................................................. 69 ABB. 33: SCHEMA DES BIOGAS-BLOCKHEIZKRAFTWERKES DES HÜHNERMASTBETRIEBES ............ 70 ABB. 34: BETRIEBSDATEN DER GEFLÜGELFARM .......................................................................................... 71 ABB. 35: AUSLEGUNGSDATEN ZUR KÜHLLASTBERECHNUNG VOM HÜHNERSTALL .......................... 72 ABB. 36: KÄLTEBEDARFSSTRUKTUR FÜR DEN ALTEN HÜHNERSTALL................................................... 73 ABB. 37: BERECHNUNGSFORMELN ZUR KÜHLLAST ..................................................................................... 74 ABB. 38: BIOGAS-BHKW BEIM SCHWEINEMASTBETRIEB............................................................................ 91 ABB. 39: ANSICHT DER BIOGASANLAGE VOM SCHWEINEMASTBETRIEB............................................... 91 ABB. 40: BLICK AUF DEN SCHWEINESTALL MIT FUTTERSILOS ................................................................. 92 ABB. 41: BLICK IN DEN FERKELSTALLBEREICH............................................................................................. 92 ABB. 42: GEBÄUDEDATEN VOM SCHWEINEMASTBETRIEB ........................................................................ 95 ABB. 43: BETRIEBSDATEN VOM SCHWEINEMASTBETRIEB......................................................................... 96 ABB. 44: KÜHLLASTKURVEN FÜR DEN SCHWEINESTALL ........................................................................... 97 ABB. 45: VERGLEICH DER KALTLASTEN.......................................................................................................... 98 ABB. 46: GEGENÜBERSTELLUNG DER KALTLASTEN.................................................................................... 99

Tabellenverzeichnis


Tabellenverzeichnis

TABELLE 1: ÜBERSICHT DER TECHNOLOGIEN VON KÄLTEANLAGEN /11/ ............................................. 15 TABELLE 2: MARKTÜBERSICHT VON SORPTIONSKÄLTEANLAGEN......................................................... 31

Anhang 1 – Abkürzungsverzeichnis


Anhang A1

Abkürzungsverzeichnis BHKW Blockheizkraftwerk

HNS Hühnerstall

SWS Schweinstall

WP Wärmepumpe

KWKK Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

KKM Kompressionskältemaschine

ABKM Absorptionskältemaschine

ADKM Adsorptionskältemaschine

PL Kältebedarfsleistung durch die Lüftung

PS Wärmeleistung infolge der Sonnenstrahlung

Pi Wärmeleistung der Innenwärmen

PBK Kältebedarfsleistung des Stalls

PW Kälteleistung der Verdunstungswasser

PH Heizlast der Wärmestrahler

PWP Kälteleistung der Wärmepumpe

η WP Wirkungsgrad der Kältemaschine

Anhang 2 – Fotodokumentation vom Hühnermastbetrieb


Anhang A2

Fotodokumentation vom Hühnermastbetrieb

Abb. 20: Neuer Hühnerstall, Bestandsaufnahme

Abb. 21: Hühnerstall, Nordwestseite



Abb. 22: Alter Hühnerstall, Fensterwerk

Abb.23: Alter Hühnerstall, Luftventilator Abb. 24: Neustall-Ventilator



Abb. 25: Biogasanlage der Geflügelfarm

Abb. 26: Neustall der Geflügelfarm, Nordwestseite



Abb. 27: Neustall der Geflügelfarm, Zuchthalle

Abb. 28: BHKW-Maschinenhaus der Geflügelfarm



Abb. 29: Neustall der Geflügelfarm, Deckenradiator

Abb. 30: Neustall der Geflügelfarm, Lüftungsspalte

Anhang 3 – Vorgehensweise


Anhang A3

Vorgehensweise

Anhang 4 – Bestandsaufnahme vom Hühnermastbetrieb


Anhang A4

Bestandsaufnahme vom Hühnermastbetrieb

Innenluftabfuhr

Hühnervolk

WassernebelwerferWärmestrahler

VentilatorenFenstern

Wärmestrahler Wassernebelwerfer

VentilatorenInnenluftabfuhr

Hühnervolk

0,42 m 0,42 m

3,00 m

3,00 m

90 m

OG

UG

1.098 m2

3.294 m3Bodenfläche :Raumvolumen :

1.098 m2

3.404 m3Bodenfläche :Raumvolumen :

Abb. 31: Planskizze des alten Hühnerstallgebäudes



Altstall EG L B H

90 12,2 3,00 m Erhebung

Raumvolumen(Luftvolumen) 3.294 m3

Bodenfläche 1.098 m2

Deckenfläche 1.098 m2

Seitenwände 579 m2

Fenster / Toren 34 m2 Erhebung

HöchsteLuftströmmung 195.000 m3 / h Ventilatorenzahl: 15

Durchsatzmenge [m3 / h]per Ventilator: 13.000

L B H

90 12,2 3,10 Erhebung

GesamtesLuftvolumen 3.404 m3

Bodenfläche 1.098 m2

Deckelfläche 1.098 m2

Seitenwände 622 m2

Fenster / Toren 12 Erhebung

( Tierhaltung ) Gemäß: TVT 1997Gemäß: LGB für Tirol 1995

Datenquellen

( bei Vollast )1 / h

Altstall KG

HöchsteLuftwechselzahl 60

ErforderlicheLuftwechselzahl 20 1 / h

Abb. 32: Gebäudedaten vom alten Hühnerstall



Bestehendes BHKW

Motorabwärme

Notkühler-Abwärme

VKMGener.

Stallabfall

Nutzwärme für denHaushaltsbedarf

Abgas

Elektrische Energie Biogas

Vergasungs-anlage

Neustall

wärmeMotorkühl-

Abfall-behälter

Abgas

Altstall

Not-Kühler

Abb. 33: Schema des Biogas-Blockheizkraftwerkes des Hühnermastbetriebes



Wasseranschlußvon Φ 2 Zoll

`m a 6,57 [ m3 / h ]

Wassernebelerzeuger `m n 3 [ m3 / h ]

VerdunstungsgradSchätzwert !!! r w 13 %

Wassereintritts-temperatur T w 10 [ °C ]

natürliche Lüftung n L n 2 [ 1 / h ]

Ventilatoren bei ca. 1/3der Ventilationsleistung n L v 20 [ 1 / h ]

Außentemperatur T a 35 [ °C ]

Innentemperatur im Auslegungspunkt T i 28 [ °C ]

Dachstuhlstemperatur T D 60 [ °C ]

Wärmeleistungje 1,5 Kg Hühn P 1 H 3,5 [ W / Tier ]

Hühnerzahl laut Angaben des Wirtes n H 20.000 [ Hühner ]

Hühnergröße Höchstwert m H 1,5 [ Kg / Hühn ]

Elektrische Motorleistung

laut Angaben des Herstellers P M EL 330 [ kW ]

Kühlwasser Motorleistung

laut Angaben des Herstellers P M KW 206 [ kW ]

Nutzabgas Motorleistung

laut Angaben des Herstellers P M AG 215 [ kW ]

Wasserströme

Luftströme2

1

4

5

3 Betriebs-temperaturen

Abb. 34: Betriebsdaten der Geflügelfarm

Anhang 5 – Kühllastberechnung vom Hühnermastbetrieb


Anhang A5

Kühllastberechnung vom Hühnermastbetrieb

Raumvolumen V L 3.294 m3

Luftwechselzahl n L 20 1 / h

V´ L 65.880 m3 / h18,3 m3 / s23,8 Kg / s

Außentemperatur T a 35 °CInnentemperatur T i 28 °CDifferenztemperatur ∆T 7 °CDachstuhltemperatur T D 60 °C

Deckenfläche F D 1.098 m2

k-Wert Stalldecke zum Dach k d 0,6 W / m2 K

Wassergehalt vonAußenluft bei φ a 40% m 1 w a 14,30 g / Kg

Wassergehalt vonInnenluft bei φ a 70% m 1 w i 17,00 g / Kg

Wassergehaltdifferenz Dm 1 w 2,7 g / KgWassereintrittstemperatur T w 10 °CWassererwärmung ∆T w 18 °C

64,23 g / s231,24 Kg / h

Verdunstungsgrad ε w 13 %494 g / s

1.779 Kg / h

Wärmeleistung per 1,5 Kg Huhn P 1 3,5 W / TierAnzahl der Hühner n h 20.000 Hühner

Kühlwasserleistung des Biogasmotors

P MW 206 kW

Nutzabgasleistung des Biogasmotors

P MA 215 kW

Erforderlicher Durchsatzder Wassernebelerzeuger

m´ L

ErforderlicheVerdunstungsrate

Luftdurchsatz

m' w

m' wn

Abb. 35: Auslegungsdaten zur Kühllastberechnung vom Hühnerstall



Lüftungskältebedarf PL 168 kW

Innenwärmenleistung Pi 70 kW

Leitungsleistung infolgeder Dachstuhlerwärmung durch Sonnenstrahlung

PS 21 kW

Kälteleistungsbedarf PKB -259 kW

Motorabwärmeleistung PM 421 kW

Mindestwirkungsgrad derAbsorptionsmaschine η min 61 %

Min.-Wirkungsgrad derAbsorptionsmaschine η wp 70 %

Soll-WP-leistung Pwp -295 kW

Soll-Kälteleistungsüberschuß(ohne Verdunstungskühlung) Pü -36 kW

PW -163 kWKälteleistung desVerdunstungswassers(vorab unberücksichtigt

Abb. 36: Kältebedarfsstruktur für den alten Hühnerstall



Leistungsbedarfsberechnung

P KB = { P L + P i + P S } + P W + P T

P L = Σ ni Vi ρL cpL Luftwechselleistung

P i = n T P 1 Innenwärmen

P S = FD k D ∆TD

P W = Σ m'w ( cw ∆Tw + r w ) Warmwasserleistung

P T = Σ Fi k i ∆Ti Transmissionsleistung

η min = P KB / P M tehoretischer Wirkungsgrad

∆TL

Transmissionwärme infolgeder Sonnenstrahlung

Abb. 37: Berechnungsformeln zur Kühllast

Anhang 6 – Marktübersicht von Absorptionskälteanlagenherstellern


Anhang A6

ASUE Martübersicht von Absorbtionskälteanlagenherstellern /17/

























Anhang 7 – Anfragen&Angebote von Absorptionskälteanlagen


Anhang A7

Muster eines Anfrageformulars

Anhang 7 – Anfragen&Angebote von Absorptionskälteanlagen


Angebotsbeispiel

Anhang 8 – Ergebnisse für den Hühnermastbetrieb


Anhang A8

Kältelastvergleich für den Hühnermastbetrieb

n L 20 ri 70 % T a 35 °C

P T i

(A)

(B)

(C)

n L 15 ri 70 % T a 35 °C

P T i

(A)

(B)

(C)

(A)

(B)

(C)

31 °C

25 °C 28 °C 31 °C

185 kW45 kW

-180 kW

332 kW562 kW344 kW40% Außenluftfeuchtigkeit

ohne Feuchtigkeitsregelung

444 kW 261 kW

95 kW

273 kW 217 kW

25 °C 28 °C

ohne Feuchtigkeitsregelung

50% Außenluftfeuchtigkeit

259 kW317 kW




161 kW56 kW

281 kW 94 kW -113 kW



Kälteleistungsbedarf beinL 15 h-1

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

24 °C 25 °C 26 °C 27 °C 28 °C 29 °C 30 °C 31 °C 32 °C


K ä

l t e

l e

i s t

u n

g s

b e

d a

r f

(C)

(B)

(A)

Kälteleistungsbedarf bei nL 20 h-1

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

24 °C 25 °C 26 °C 27 °C 28 °C 29 °C 30 °C 31 °C 32 °C


K ä

l t e

l e

i s t

u n

g s

b e

d a

r f

(A)

(B)

(C)

Anhang 9 – Fotodokumentation vom Schweinemastbetrieb


Anhang A9

Fotodokumentation vom Schweinemastbetrieb

Abb. 38: Biogas-BHKW beim Schweinemastbetrieb

Abb. 39: Ansicht der Biogasanlage vom Schweinemastbetrieb

Anhang 9 – Fotodokumentation vom Schweinemastbetrieb


Abb. 40: Blick auf den Schweinestall mit Futtersilos

Abb. 41: Blick in den Ferkelstallbereich

Anhang 10 – Ergebnisse vom Schweinemastbetrieb


Anhang A10

Studienfall Schweinemastbetrieb

Raumvolumen, Ferkelsektor V L 1.960 m3

Luftwechselzahl, Ferkelsektor n L 24 h-1

V´ L 48.000 m3 / h13,3 m3 / s17,3 Kg / s

Raumvolumen, Mastschweinsektor V L 645 m3

Luftwechselzahl, Mastschweinsektor n L 45 h-1

V´ L 28.800 m3 / h8,0 m3 / s

10,4 Kg / s

Außentemperatur T a 35 °CInnentemperatur, Ferkelsektor T if 28 °CDifferenztemperatur, Ferkelsektor ∆T f 7 °CInnentemperatur, Mastschweinsektor T is 25 °CDifferenztemperatur, Mastschweins. ∆T f 10 °CDachstuhltemperatur T D 60 °C

Deckenfläche F D 705 m2

k-Wert Stalldecke zum Dach k d 0,17 W / m2 K

Anzahl der Ferkel n f 1.000 TiereWärmeleistung per Ferkel P 1f 30 W / TierAnzahl der Mastschweine n s 240 TiereWärmeleistung per Mastschwein P 1s 70 W / Tier

Warmwasserleistung des Biogasmotors P MK 621 kW

Luftdurchsatz, Mastschweinsektorm´ L

m´ LLuftdurchsatz, Ferkelsektor



Kälteleistungsberechnung, Schweinemastbetrieb

Lüftungskältebedarf PL 227 kW

Innenwärmenleistung Pi 47 kW

Leitungsleistung infolgeder Dachstuhlserwärmung durch Sonnenstrahlung

PS 4 kW

Kälteleistungsbedarf PKB 277 kW

Motorabwärmeleistung PM 621 kW

Mindestwirkungsgrad derAbsorptionsmaschine η min 45 %

Soll-Wirkungsgrad derAbsorptionsmaschine η wp 70 %

Soll-WP-leistung Pwp -435 kW

Soll-Kälteleistungsüberschuß(ohne Verdunstungskühlung) Pü -157 kW

Kälteleistung desVerdunstungswassers PW - - - kW


Ps4 kW1,4 %

Pi47 kW16,9 %

PL227 kW81,7 %



Ferkelstall L B H33,5 10,0 3,35 m Erhebung

17,6 20,0 5,00 m

Gesamtes Luftvolumen 1.960 m3

Bodenfläche 510 m2

Deckenfläche 512 m2 aufgrund der Deckenneigung

Seitenwände 353 m2

Fenster / Toren 28 m2

48 m3 / Tier / h (Tierhaltungsges.) Winter: 24 bis Sommer: 4848.000 m3 / h

Erforderliche Luftwechselzahl 24 1 / h

Höchste Luftström. Ferkel 80.000 m3 / h ( bei Vollast ) Ventilatorenzahl: 5Höchste Luftwechselz. Ferkel 41 1 / h Ventilatorenzahl: 2

Durchsatzmenge [m3 / h]Höchste Luftwechselz. Masts. 50 1 / h per Ventilator: 16.000

Höchste Luftström. Masts. 32.000 m3 / h ( bei Vollast )

L B H19 10,0 3,10 Erhebung

4,18

Gesamtes Luftvolumen 645 m3 abzüglich des Luftschachtes

Bodenfläche 193 m2

Deckelfläche 194 m2 aufgrund der Deckenneigung

Seitenwände 198 m2

Fenster / Toren 16 Erhebung

120 m3 / Tier / h (Tierhaltungsges.) Winter: 84 bis Sommer: 16828.800 m3 / h

Erforderliche Luftwechselzahl 45 1 / h

ErforderlicheLuftmenge

ErforderlicheLuftmenge

Mastschweinestall

Datenquellen

ohne Fenster und Tore laut Erhebungsblatt

laut Erhebungsblatt

Gemäß: DIN 18 910

Gemäß: DIN 18 910

Abb. 42: Gebäudedaten vom Schweinemastbetrieb



natürliche Lüftung n L n 0 [ 1 / h ]

Ventilatoren bei vollerLeistung, Ferkelsektor n L vf 41 [ 1 / h ]

Ventilatoren im Auslegungs-punkt, Ferkelsektor n L nf 24 [ 1 / h ]

Ventilatoren bei vollerLeist., Mastschweinsektor n L vs 50 [ 1 / h ]

Ventilatoren im Auslegungs-punkt, Mastschweinsektor n L ns 45 [ 1 / h ]

Außentemperatur T a 35 [ °C ]

Innentemperatur im Auslegungspunkt, Ferkel T i 28 [ °C ]

Innentemperatur im Auslegungspunkt, Masts. T i 24 [ °C ]

Dachstuhlstemperatur T D 60 [ °C ]

Wärmeleistungje 32 Kg Ferkel P 1 H 30 [ W / Tier ]

Ferkerzahl laut Angaben des Wirtes n F 1.000 [ Ferkel ]

Ferkelgröße Höchstwert m F 32 [ Kg / Ferkel ]

Wärmeleistung je115 Kg Mastschwein P 1 H 70 [ W / Tier ]

Mastschweinzahl laut Angaben des Wirtes n F 240 [ Schweine ]

Mastschweingröße Höchstwert m F 115 [ Kg / Tier ]

Elektrische Motorleistung

laut Angaben des Herstellers P M EL 500 [ kW ]

Kühlwasser+Abgas Motorwärmeleistung

laut Angaben des Herstellers P M KW 621 [ kW ]

Luftströme1

3

5

2 Betriebs-temperaturen

4

Abb. 43: Betriebsdaten vom Schweinemastbetrieb



T a 35 °C

T i

(A)

T a 35 °C

T i

(B)

T a 35 °C

T i

(C)

(A)

(B)

(C)

(A) Erforderlicher Kühlleistungsbedarf der Gesamtstallanlage

(B) Erforderlicher Kühlleistungsbedarf im Ferkelbereich

(C) Erforderlicher Kühlleistungsbedarf im Mastschweinebereich




25 °C 28 °C

ohne Feuchtigkeitsregelung 154 kW

31 °C

102 kW205 kW

Ferkelsektor

Mastschweinsektor

22 °C 25 °C

P KB bei

28 °C

ohne Feuchtigkeitsregelung 157 kW 125 kW 93 kW

P KB bei

Gesammtstall

2 °C 5 °C 8 °CP KB bei

ohne Feuchtigkeitsregelung 361 kW 277 kW 194 kW

Kältebedarf im Schweinestall

kW

50 kW

100 kW

150 kW

200 kW

250 kW

300 kW

350 kW

400 kW

1 °C 2 °C 3 °C 4 °C 5 °C 6 °C 7 °C 8 °C 9 °C


K ä

l t e

l e

i s t

u n

g s

b e

d a

r f

(B) (A)

(C)T auslegung

25°C22°C

31°C28°C

28°C25°C

Abb. 44: Kühllastkurven für den Schweinestall

Anhang 11 – Schlussfolgerungen


Anhang A11

Schlussfolgerungen, Vergleich der Kaltlasten T a 35 °C

T i

(A)

T a 35 °C

T i

(A)

(A)

(B)

(C)

(A)

(B)




Erforderliche Kühllast des Hühnerstalls ohne Feuchtigkeitsregelung

Erforderliche Kühllast des Schweinestalls ohne Feuchtigkeitsregelung

28°C / 31°C

ohneFeuchtigkeitsregelung 361 kW 277 kW 194 kW

Schweinstall

P KB bei 22°C / 25°C 25°C / 28°C

31 °C

ohneFeuchtigkeitsregelung 322 kW 259 kW 185 kW

Hühnerstall

P KB bei 25 °C 28 °C

Kältebedarf: Hühnerstall und Schweinestall

150 kW

200 kW

250 kW

300 kW

350 kW

400 kW

1 °C 2 °C 3 °C 4 °C 5 °C 6 °C 7 °C 8 °C 9 °C


K ä

l t e

l e

i s t

u n

g s

b e

d a

r f

(B)

(A)

T auslegung

25°C22°C

31°C28°C

28°C25°C

Abb. 45: Vergleich der Kaltlasten

Anhang 11 – Schlussfolgerungen


Betriebsgröße Hühnerstall Ferkelsektor Mastschweinsektor

Raumvolumen V L 3.294,00 1.960,00 2.605,00 645,00 m3

Luftwechselzahl n L 20,00 24,00 45,00 h-1

V´ L 65.880,00 48.000,00 29.025,00 m3 / hm´ L 23,79 17,33 10,48 Kg / s

Außentemperatur T a 35,00 35,00 °CInnentemperatur T i 28,00 28,00 25,00 °CDifferenztemperatur ∆T 7,00 7,00 10,00 °CDachstuhltemperatur T D 60,00 60,00 °C

Deckenfläche F D 1.098,00 512,00 706,00 194,00 m2

k-Wert Stalldecke zum Dach k d 0,60 0,17 W / m2 K

Relative Innenluftfeuchtigkeit r i 70,00 70,00 %

Körpergewicht pro Tier (Höchstwert) m 1t 1,50 32,00 115,00 Kg / TierWärmeleistung pro Tier P 1t 3,50 30,00 70,00 W / TierAnzahl der Tiere (Höchstwert) n t 20.000,00 1.000,00 1.240,00 240,00 TiereWärmeleistung pro Tierbestand P t 70,00 30,00 46,80 16,80 kW

Wärmeleistung des Biogasmotors P kw 421,00 621,00 kW

Betriebsleistung Hühnerstall Ferkelsektor Mastschweinsektor

Kälteleistungsbedarf durch Lüftung PL 168 122 227 105 kW

Innenwärmenleistung Pi 70 30 47 17 kW

Wärmedurchgangsleistung infolgeder Dachstuhlserwärmung durchdie Sonnenstrahlung

PS 21 3 4 1 kW

Kälteleistungsbedarf im Auslegungspunkt PKB 259 277 kW

Motorabwärmeleistung PM 421 621 kW

Mindestwirkungsgrad derAbsorptionsmaschine η min 61 45 %

Luftdurchsatz

Abb. 46: Gegenüberstellung der Kaltlasten

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