EnOB: Dyn-GSGK: Using dynamic geothermal systems for sustainable desiccant assisted air conditioning
Project description
Object of the research project is the development of an air conditioning system for basic and peak loads based on renewable energies. Therefore, at the Institute of Engineering Thermodynamics the combination of an open cycle desiccant-assisted air conditioning system and a geothermal system is investigated. A key aspect is a reduced cooling demand and lower peak loads due to the decoupling of sensible cooling and dehumidification within the air conditioning process. Additionally, cooling power can be increased by using a dynamically controllable borehole heat exchanger (BHX) for the first time. The single components as well as the interaction of the components as a system are investigated. In case of uncomfortable room air conditions despite the additional cooling power, a backup system including phase change material to locally enhance comfort perception is analyzed.
Background
In summer, air conditioning systems need to dehumidify and cool outdoor air. Conventionally, air is cooled below dew point temperature in order to dehumidify the air. Afterwards the air is reheated to reach supply air temperature level. In contrary, dehumidifying and cooling is decoupled within a desiccant assisted system. Hygroscopic materials like Lithiumchlorid or Silica gel are used for dehumidification. As a result of the decoupled process of latent and sensible cooling, the cooling demand is reduced and heat sinks with higher temperature levels (approx. 16 to 19 °C) can be used. Therefore, heat sinks like shallow geothermal energy can be implemented efficiently. Despite the benefits of the desiccant system, peak load demand still represents a problem. In the consequence of high ambient temperatures and a constantly high cooling demand, the cooling power of the soil can be exceeded. As a result, oversizing the geothermal system is needed to accomplish comfortable room temperatures during peak loads due to internal or external effects.
Innovation
The objective of the research project Dyn-GSGK is to investigate covering of peak loads during summer operation by combining the patent-registered methods of desiccant dehumidification with subsequent geothermal cooling (applicant Prof. Dr.-Ing. Schmitz, EU-Patent 1368596) and the air injection borehole heat exchanger (applicant Prof. Dr.-Ing. Grabe, EU-Patent 09401001.4-2301). Initially, the desiccant assisted air conditioning systems reduces peak demands and the air injection borehole heat exchanger covers the remaining peak load due to the dynamic response characteristic.
By inducing an artificial ground water flow due to air injection inside the well the cooling power can be adjusted according to the demand within seconds. In contrast, conventional geothermal systems can not be adjusted in power or according to the demand. As a result of the dynamic behavior, oversizing of the geothermal system is not necessary. Besides the cooling demand, desiccant assisted systems need thermal energy in order to enable a continuous process. To further improve the coverage of the energy demand by renewable energies, pre-cooling of the process air is investigated. If, however, uncomfortable room air conditions occur, a backup system consisting of phase change materials (PCM) is investigated. The PCM is encapsulated in plates and placed in a rack. By means of computer case fans an airflow is induced throughout the rack. By bypassing the PCM the hot air is cooled due to the occurring phase change from solid to liquid of the PCM. As a result, the cooled air can be used to locally reduce the temperature and improve comfort perception.
Besides summer, winter operation is investigated for the first time. In order to achieve an equalized energy balance throughout the year, using the geothermal system as a heat sink in summer and as a heat source to power a ground-coupled heat pump in winter is meaningful. Additionally, the ceiling surface heat exchanger is investigated in regard to heating application. In terms of humidification, the hygroscopic material is used to humidify the supply air and improve indoor humidity during dry winter days. Compared to conventional systems, additional components to humidify the air in winter are not needed.
EnOB: Dyn-GSGK: Nutzung dynamischer geothermischer Systeme zur sorptionsgestützten nachhaltigen KlimatisierungProject leader: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmitz, Institute of Engineering Thermodynamics
Project partner: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Grabe, Institute of Geotechnical Engineering and Construction Management
Project coordinator: Finn Richter, M. Sc., finn.richter@tuhh.de
Funding code: 03ET1421A
Project duration: 01.08.2016 – 31.10.2020
Project executing organization: PJT, Jülich
Funding agency: Federal Ministry for Economic Affairs and Energy
EnOB: Dyn-GSGK: Nutzung dynamischer geothermischer Systeme zur sorptionsgestützten nachhaltigen Klimatisierung
Vorhabenbeschreibung
Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung einer auf erneuerbaren Energien basierenden Klimatisierung für den Grund- und insbesondere den Spitzenlastfall. Am Institut für Technische Thermodynamik ist dazu eine Pilotanlage zur Untersuchung eines geothermisch- und sorptionsgestützten Klimatisierungsprozesses vorhanden. Die Trennung von Kühlung und Entfeuchtung durch die sorptionsgestützte Klimatisierung reduziert dabei zunächst die Lastspitzen des Kältebedarfs. Zusätzlich kann durch die erstmalige Verwendung von dynamisch regelbaren Erdreichwärmeübertragern (EWÜ) die Kühlleistung kurzfristig erhöht und damit die verbleibenden Lastspitzen gedeckt werden. Sowohl die an der TUHH selbst entwickelten innovativen EWÜ als auch die sorptionsgestützte Klimaanlage sowie deren Zusammenspiel werden dabei detailliert untersucht. Sollten trotz der zusätzlichen Kühlleistung unbehagliche Raumluftzustände auftreten, werden zusätzlich sogenannte Phasenwechselmaterialien (PCM) als Backup-System verwendet.
Problemstellung
Die Aufgabe einer Klimaanlage besteht im Sommer in der Abkühlung und der Entfeuchtung der Außenluft. In einem konventionellen Prozess wird die Luft daher zunächst unter die Taupunkttemperatur abgekühlt, um einen Teil des enthaltenen Wasserdampfs zu kondensieren und abzuscheiden. Im Anschluss muss die Zuluft auf das gewünschte Temperaturniveau erwärmt werden. Im Gegensatz zu solchen konventionellen Systemen nutzen sorptionsgestützte Klimaanlagen hygroskopische Stoffe wie z. B. Lithiumchlorid, um die Luft zu entfeuchten. Entfeuchtung und Kühlung sind daher nicht mehr gekoppelt, der notwendige Kältebedarf sinkt erheblich und höher temperierte Wärmesenken (ca. 16 bis 19 °C) können verwendet werden. Dies begünstigt den effizienten Einsatz natürlicher Wärmesenken wie z. B. oberflächennaher Geothermie. Obwohl das sorptionsgestützte System durch Trennung von Kühlung und Entfeuchtung Spitzenlasten des Kältebedarfs bereits erheblich reduziert, bleibt in diesem Zusammenhang die Abdeckung von Spitzenlasten problematisch. In selten auftretenden längeren Zeiträumen mit konstant hohem Kühlbedarf sowie bei zeitlich begrenzt auftretenden Lastspitzen durch innere oder äußere Einflüsse ist zur Einhaltung behaglicher Raumluftzustände eine entsprechende Überdimensionierung des geothermischen Systems erforderlich. Die an das Erdreich übertragene Energiemenge ist bei herkömmlichen EWÜn nur begrenzt über den Volumenstrom zu beeinflussen. Dies gilt sowohl für einen stationären Betrieb als auch für einen instationären Betrieb, bei dem der Massenstrom abrupt angehoben wird.
Innovation
In dem Forschungsvorhaben Dyn-GSGK soll die Problematik der Abdeckung von Lastspitzen im Sommer erstmalig untersucht werden, indem die beiden patentierten Verfahren der sorptionsgestützten Entfeuchtung mit anschließender Erdreichkühlung (Antragsteller Prof. Dr.-Ing. Schmitz, EU-Patent 1368596) und der Luftinjektions-EWÜ (Antragsteller Prof. Dr.-Ing. Grabe, EU-Patent 09401001.4-2301) kombiniert werden. Das sorptionsgestützte Lüftungsgerät federt dabei zunächst Lastspitzen ab.
Die verbleibenden Bedarfsspitzen können dann vom Luftinjektions-EWÜ durch dessen gutes dynamisches Ansprechverhalten abgedeckt werden. Der Luftinjektions-EWÜ nutzt eine gezielte künstlich induzierte Grundwasserströmung, um die Leistungsabgabe der Last anzupassen. Mit dieser Technik kann die übertragbare Leistung innerhalb weniger Sekunden verändert werden. Im Gegensatz zu bestehenden geothermischen Systemen, die träge auf Laständerungen reagieren und in ihrer übertragbaren Leistung kaum zu steuern sind, kann auf eine Überdimensionierung des geothermischen Systems verzichtet werden. Zusätzlich kann durch eine gezielte Vorkühlung der Prozessluft durch das geothermische System der erforderliche Energiebedarf der sorptiven Entfeuchtung reduziert werden. Zusätzlich kann im Fall von unbehaglichen Raumluftzuständen lokal die thermische Behaglichkeit durch PCM erhöht werden. Das PCM wird in einer makroverkapselten Bauweise mit Luft durchströmt und entzieht dem Luftstrom durch den Phasenwechsel von fest nach flüssig Energie in Form von Wärme. Lokal kann so das Temperaturniveau abgesenkt und die Behaglichkeit erhöht werden.
Des Weiteren wird erstmals auch das Verhalten des Gesamtsystems im Winterbetrieb untersucht. Im Hinblick auf eine ausgeglichene Energiebilanz im Jahresverlauf ist die Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle in Verbindung mit einer erdreichgekoppelten Wärmepumpe sinnvoll. In diesem Zusammenhang wird die Nutzung des vorhandenen Flächenwärmeübertragers im Deckenbereich zur Einstellung behaglicher Raumluftzustände untersucht. Zusätzlich wird die mögliche Rückbefeuchtung mittels des vorhandenen hygroskopischen Materials zur Anhebung der Raumluftfeuchte im Winter betrachtet. Bei entsprechenden Lasten kann auf die in konventionellen Klimatisierungssystemen benötigte zusätzliche Anlagentechnik zur Befeuchtung verzichtet werden.
EnOB: Dyn-GSGK: Nutzung dynamischer geothermischer Systeme zur sorptionsgestützten nachhaltigen KlimatisierungProjektleitung: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmitz, Institut für Technische Thermodynamik
Projektpartner: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Grabe, Institut für Geotechnik und Baubetrieb
Ansprechpartner: Finn Richter, M. Sc., finn.richter@tuhh.de
Förderkennzeichen: 03ET1421A
Laufzeit: 01.08.2016 – 31.10.2020
Projektträger: PJT, Jülich
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
