In den nächsten Jahrzehnten wird sowohl im Irak als auch international ein starker Anstieg des Energiebedarfs für die Klimatisierung von Gebäuden erwartet. Im Irak, wie auch in anderen heißen trockenen Ländern, nimmt der Einsatz konventioneller, elektrisch betriebener Kältemaschinen für die Klimatisierung (AC) drastisch zu, was zu hohen Kosten, Überlastung des Stromnetzes und Stromausfällen führt. Thermische Kühlprozesse bieten eine perfekte Alternative, um die solare Wärmestrahlung in Kühlenergie umzuwandeln und so den Komfort in Innenräumen zu erhöhen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der mathematischen Modellierung und Simulation von solarthermisch unterstützten Absorptionskältesystemen mit einfachem Effekt. Zum einen werden die Energieleistung, die Auslegung und der Betrieb thermisch angetriebener Kühlprozesse untersucht, zum anderen werden Optimierungen und thermo-ökonomische Analysen der verschiedenen Konfigurationen von Solarabsorptionskreisläufen durchgeführt.

Eine detaillierte Beschreibung der energetischen Leistungsanalyse von integrierten solarbetriebenen Kühlsystemen für Wohngebäude findet sich in Ausarbeitung A. Der Solaranteil und die thermische Leistung des solaren Klimatisierungssystems werden für mehrere Monate in der Kühlsaison unter Umgebungsbedingungen in Bagdad, Irak untersucht. Anhand der parametrischen Analyse des einfach wirkenden Wasser-LiBr-Absorptionskreislaufs wird die thermische Leistung des Systems bewertet und es werden die besten Parameter für die Gestaltung des solarbetriebenen Kühlsystems ermittelt. Hierzu wird der TRNSYS-basierte Ansatz verwendet. Darüber hinaus wird in Ausarbeitung A ein Strategieplan für die solarthermische Kühlung im Irak entwickelt, um Stromspitzen im Sommer zu reduzieren und Energieeinsparungen in Bezug auf die Primärenergie zu erzielen, wodurch die Treibhausgasemissionen im Bereich der Wohnraumklimatisierung verringert werden.

In den Ausarbeitungen B und C wird das Design des solaren Absorptionskühlsystems so verändert, dass es das Flash-Tank-Subsystem für die Dampferzeugung einschließt, um die verschiedenen Konfigurationen von Absorptionskühlkreisläufen mit verschiedenen solarthermischen Kollektoren zu optimieren und zu vergleichen. Es werden zwei Arten von Solarkollektoren betrachtet: Parabolrinnenkollektoren (PTC) und Vakuumröhrenkollektoren (ETC). Dabei werden zwei Arten von Absorptionskühlkreisläufen mit einfacher Wirkung untersucht: Wasser-LiBr und Ammoniak-Wasser. Die mathematischen Modelle wurden auf der Grundlage der Energiebilanzgleichungen entwickelt und in der Matlab/Simulink-Umgebung berechnet. Das vorgeschlagene Modell wird im Entwurfsmodus der Modellierungstechnik verwendet, bei der unbekannte Parameter wie Flächen, Abmessungen, Massendurchsätze, Energieströme, Exergie, Kostenströme und die gesamten Prozesstemperaturen oder andere errechnete physikalische Eigenschaften berechnet werden. Die thermo-ökonomische Analyse wurde für verschiedene Konfigurationen des Absorptionskühlkreislaufs durchgeführt. Die detaillierte Beschreibung des mathematischen Modells der Systemkonfigurationen ist in den genannten Ausarbeitungen (B und C) enthalten und wurde dort verglichen. In Ausarbeitung B wurden verschiedene Konfigurationen eines einfachwirkenden Wasser-LiBr-Absorptionskreislaufs anhand der Leistungszahl und des exergetischen Wirkungsgrads verglichen. Der Vergleich wird auf der Grundlage der Begriffe Energie, Exergie, Konstruktion, Kosten und Thermoökonomie durchgeführt. In Ausarbeitung C werden konstruktive und thermo-ökonomische Analysen vorgestellt, um zwei verschiedene Kollektortypen (Parabolrinne und Vakuumröhre) mit Ammoniak-Wasser-Absorptionssystemen (NH3-H2O) zu vergleichen und die besten Betriebsbedingungen zu ermitteln.

Die Thermo-Ökonomie ist ein Fachgebiet des Ingenieurwesens, das Exergie-Analysen und ökonomische Prinzipien kombiniert, um dem Systementwickler oder Betreiber Informationen zur Verfügung zu stellen, die durch herkömmliche Energieanalysen und ökonomische Bewertungen nicht verfügbar sind, jedoch für die Planung und den Betrieb eines kosteneffizienten Systems entscheidend sind. Auf der Grundlage der in den Ausarbeitungen B und C vorgestellten Analyse wird die thermo-ökonomische Optimierung unter verschiedenen Betriebsbedingungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Parabolrinnenkollektor in Kombination mit dem Absorptionszyklus niedrigere Gestaltungsaspekte und minimale Betriebskosten pro Stunde aufweist. Es wird eine Gleichung formuliert, die die optimale Fläche und die Auslegungsbedingungen in thermischen Systemen bestimmt. Die Auswahl der Kollektormodule und die Anzahl der Kollektoren in jedem Modul werden dargestellt. Es wird untersucht, ob der Einsatz von solarthermischer Kühlung im irakischen Klima wirtschaftlich umsetzbar ist. Der vorgestellte Ansatz wurde anhand einer Fallstudie für eine Sportarena mit einer Gesamtkühllast von 700-800 kW unter Berücksichtigung der Wetterdaten von Bagdad dargestellt. Um die beste Konfiguration und genaue thermodynamische Modelle zu erhalten, wird die mathematische Berechnung der verschiedenen Konfigurationen der Absorptionsprozesse in den Ausarbeitungen B und C auch thermoökonomisch analysiert und in der Ausarbeitung D bewertet. Hierbei werden die beiden Absorptionskreisläufe Wasser-LiBr und Ammoniak-Wasser mit Parabolrinnenkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren unter den gleichen Betriebsbedingungen miteinander verglichen. Darüber hinaus werden Investitions-, Betriebs- und Wartungskostenanalysen für jede Einheit (Solarfeld, Flash-Tank, Absorptionskältemaschine und Pumpeneinheiten) durchgeführt. Dabei wird der Zinssatz auf 5% und die Lebensdauer der Anlage auf 20 Jahre festgelegt.

Die Ergebnisse des Vergleichs zeigen, dass der Parabolrinnenkollektor in Kombination mit H2O-LiBr (PTC/H2O-LiBr) weniger gestalterische Merkmale und minimale stündliche Kosten (5,2 $/h) aufweist, gefolgt von der ETC/H2O-LiBr-Konfiguration (5,6 $/h). H2O-LiBr ergibt geringere thermoökonomische Produktkosten (0,14 $/GJ) im Vergleich zu NH3-H2O (0,16 $/GJ). Der Koeffizient des Absorptionskältekreislaufs lag zwischen 0,5 und 0,9.