Ammoniak

Das in den USA ansässige Electric Power Research Institute (EPRI) hat herausgefunden, dass der Ersatz einer herkömmlichen Hydronik-Klimaanlage durch einen Ammoniak-Kühler (R717) mit niedriger Ladung und einen CO2-Konvektionskreislauf (R744) Kosten, Energieverbrauch und Treibhausgasemissionen senken kann.

EPRI arbeitete mit dem Versorgungsunternehmen Southern California Edison (SCE) und dem japanischen HVAC&R-Hersteller Mayekawa zusammen, um einen Prototyp zu entwickeln und das Konzept zu testen. Die Ergebnisse der Studie – „Entwicklung und Bewertung der Ammoniakdampfkompression gekoppelt an einen CO2-Konvektionskreislauf“ – wurden von Ron Domitrovic, Programmmanager bei EPRI, auf der 14. IEA-Wärmepumpenkonferenz in Chicago vom 15. bis 18. Mai vorgestellt.

Laut der Studie erwies sich das Konzept als technisch umsetzbar, die „Funktionsfähigkeit des Systems“ konnte erfolgreich nachgewiesen werden.

Aufgrund zunehmender Beschränkungen für synthetische Kältemittel konzentrierte sich die Forschung des EPRI darauf, wie natürliche Kältemittel – insbesondere Ammoniak und CO2 – in gewerblichen Klimaanlagenanwendungen eingesetzt werden könnten.

„Wir haben speziell nach dem Ersatz von Kältemaschinen gesucht, die herkömmliche Kältemittel und [Wasserkreislaufsysteme] in großen Gebäuden zur Klimatisierung verwenden“, erklärte Domitrovic. „Die Idee bestand darin, das nachzuahmen, was manchmal in Supermarktsystemen geschieht, wo ein Ammoniakkühler an ein CO2-Verteilungssystem gekoppelt ist.“

„Die Idee bestand darin, das nachzuahmen, was manchmal in Supermarktsystemen geschieht, wo ein Ammoniakkühler an ein CO2-Verteilungssystem gekoppelt ist.“

Er wies darauf hin, dass das Projektteam für den Einsatz in dieser Anwendung erhöhte Drücke und Temperaturen für den CO2-Kreislauf in Betracht zog, da solche Systeme im Allgemeinen für viel niedrigere Temperaturen verwendet werden.

Der Prototyp einer Klimaanlage, der im EPRI-Labor in Knoxville, Tennessee, entwickelt und getestet wurde, besteht aus einem Mayekawa-Ammoniakkühler mit 28 kW (8TR) für die Dampfkompression, einem CO2-Konvektionskreislauf und drei Remote-Air-Handling-Units (AHUs) für den Innenbereich.

Laut Domitrovic wurde die handelsübliche Kältemaschine mit einem Wärmetauscher ausgestattet, um die Kompatibilität mit CO2 anstelle von Wasser zu gewährleisten.

Da es sich bei dem System um das erste seiner Art handele, seien nicht alle Komponenten ohne weiteres verfügbar gewesen, erklärte er.

„Es gab keine geeigneten Expansionsventile, also haben wir stattdessen Nadelventile verwendet“, sagte er. „Wir hatten auch nur begrenztes Vertrauen in die Fähigkeit, CO2 unter diesen Bedingungen zu pumpen, aber wir fanden eine [Niedertemperatur-]Pumpe, die unserer Meinung nach auch für die höheren Temperaturen und Drücke geeignet war.“

Für die Klimatisierungsgeräte wurden auch spezielle Spulen hergestellt, die für die Klimatisierung mit CO2 geeignet sind, fügte er hinzu.

Aus Sicherheitsgründen trägt die geringe Kältemittelfüllung – weniger als 130 g Ammoniak pro kW Kühlleistung (1 lb/TR) – in Kombination mit der Tatsache, dass der Kühler im Freien installiert wurde, dazu bei, das Risiko eines Ammoniaklecks zu begrenzen, sagte Domitrovic.

Der CO2-Kreislauf arbeitet bei 31–38 bar (450–550 psi) und es wurden Techniken eingesetzt, um sicherzustellen, dass das System viel höheren Drücken standhält, fügte er hinzu.

„Es ist ein relativ einfaches System und relativ einfach zu installieren“, sagte Domitrovic.

Im Vergleich zu einem herkömmlichen Kältemaschinen- und Wasserkreislaufsystem bietet der Einsatz eines ammoniakbasierten Kältemaschinen- und CO2-Konvektionskreislaufs mehrere Vorteile, sagte Domitrovic während seines Vortrags. Zu den Vorteilen gehören geringere Kosten, höhere Effizienz, geringeres GWP und verbesserte Flexibilität.

Potenzielle Kosteneinsparungen ergeben sich aus geringeren Ausgaben für Rohrleitungen, Installation und Energie, die alle durch die höhere Wärmekapazität von phasenwechselndem CO2 im Vergleich zu Wasser ermöglicht werden, erklärte er.

Reduzierter Pumpbedarf führe zu einer Verfünffachung des Energieverbrauchs, fügte er hinzu.

Während die Analyse davon ausgeht, dass sich hinsichtlich der Kapitalkosten pro installierter Kapazitätseinheit kaum ein Unterschied zwischen einer Ammoniak- oder einer HFC-basierten Kältemaschine ergibt, stellen die Forscher fest, dass Ammoniak mit geringer Füllmenge eine günstigere Alternative zu Kältemitteln mit hohem GWP darstellt.

„Die geringere Größe der für die CO2-Konvektion erforderlichen Rohrleitungen bietet Potenzial für Material- und Installationskosteneinsparungen, die dazu beitragen könnten, etwaige Kapitalaufschläge für diese neue Art von Ausrüstung auszugleichen“, sagte das Forschungsteam.

„Die geringere Größe der für die CO2-Konvektion erforderlichen Rohrleitungen bietet Potenzial für Material- und Installationskosteneinsparungen, die dazu beitragen könnten, etwaige Kapitalaufschläge für diese neue Art von Ausrüstung auszugleichen.“

Effizienzgewinne ergeben sich aus der hohen Effizienz von Ammoniak und der hohen Wärmekapazität von CO2, das zehnmal mehr Wärme übertragen kann als Wasser.

Laut Domitrovic wurde mit geringer Systemoptimierung ein COP von 2–3 erreicht. Dies biete die Möglichkeit, die Effizienz des Systems in Zukunft deutlich zu verbessern, fügte er hinzu.

Während das System nur für die Kühlung konzipiert und getestet wurde, sagte das Forschungsteam, dass das Konzept mit zusätzlichen Überlegungen, wie der Aufnahme von Hochdruck-CO2 für die Wärmekonvektion, um die Heizung erweitert werden kann.