Adsorptiekoeling

Samenvatting

Sorptiekoeling is een koudetechniek die werkt met thermische compressie, wat eigenlijk neerkomt op koelen met warmte. Adsorptiekoeling gebruikt vloeistof en een vaste stof: ‘adsorptie’ van een koudemiddel in een vaste stof.

Wat is het?

Sorptiekoeling is een koudetechniek die werkt met thermische compressie, wat eigenlijk neerkomt op koelen met warmte. Er wordt hierin onderscheid gemaakt tussen absorptie- en adsorptiekoelers. Ze werken volgens hetzelfde principe, maar met verschillende stoffen.

• Absorptiekoelers werken met twee vloeistoffen: ‘absorptie’ van een koudemiddel in een vloeistof.
• Adsorptiekoeling gebruikt vloeistof en een vaste stof: ‘adsorptie’ van een koudemiddel in een vaste stof. Adsorptiekoeling is dus een koudetechniek waarbij warmte wordt gebruikt om te koelen.

Adsorptiekoeling werkt met de bindingskracht (adsorptie) tussen water (koudemiddel) en silicagel (vaste stof). Hierbij wordt gebruik gemaakt van een cyclus. Bij hoge druk en temperatuur condenseert het koudemiddel en bij lage druk en temperatuur verdampt het koudemiddel. In plaats van elektriciteit wordt bij adsorptiekoeling gebruik gemaakt van warmte met een temperatuur van 60 ºC tot 80 ºC. De drukverhoging wordt bereikt door de natuurkundige bindingskracht tussen silicagel en water.

Het principe van adsorptie kent twee fasen:

1. In fase 1 wordt water verdampt en vervolgens opgenomen door de silicagel. Daarbij komt warmte vrij (25 – 35 ºC) die moet worden afgevoerd.
2. Als de silicagel verzadigd is met water, wordt deze in de tweede fase gedroogd met warmte (bijvoorbeeld zonnewarmte, restwarmte, of stadsverwarming). Hierdoor komt de waterdamp weer vrij van de silicagel en condenseert in een condensor. Het water stroomt terug naar de verdamper. Na enkele minuten keert het proces om en komt er weer gekoeld water vrij.

Dit proces blijft zich herhalen, maar is een batchmatig proces. Dit betekent dat telkens één keer de cyclus kan worden doorlopen en deze vervolgens opnieuw begint. Er wordt dan niet continu gekoeld. Voor een continu proces is het nodig om ten minste twee gescheiden compartimenten te hebben met een silicagel gevulde warmtewisselaar (ww). Door een aantal kleppen in het circuit van heetwater (ongeveer 80 ºC) en koudwater (ongeveer 30 ºC) worden de warmtewisselaars dan afwisselend steeds gekoeld en verwarmd.

Waar is het geschikt?

Adsorptiekoeling kan voor verschillende toepassingen worden gebruikt, waaronder auto-airconditioning, ruimtekoeling in gebouwen en koelkasten in caravans en hotels. Deze koudetechniek is toe te passen als er warmte (60 – 80 ºC) kan worden gebruikt. Deze koudetechniek is dan ook goed te combineren met een warmtenet, micro-WKK (warmtekrachtkoppeling), restwarmte, of zonnecollectoren.

Als het koelsysteem wordt aangedreven door zonnewarmte, is toepassing in de gebouwde omgeving zeer aantrekkelijk. Dit komt doordat warmteaanbod en koudevraag meestal gelijktijdig optreden. Bovendien produceren zonnecollectoren op warme dagen meer warmte dan voor warm tapwater nodig is. Deze warmte kan prima worden benut om mee te koelen.

Hoe duurzaam is het?

Adsorptiekoelers gebruiken (rest)warmte om te koelen, daardoor wordt energieverbruik voor koeling bespaard. Hoe hoger de temperatuur van de gebruikte restwarmte, hoe beter het rendement van het systeem. De prestatiecoëfficiënt (COP) zorgt voor een eenduidige vergelijking tussen verschillende koelsystemen. Deze wordt gedefinieerd als de verhouding van de uit het gebouw onttrokken warmte tot de daartoe geleverde elektrische energie. Omdat bij sorptiekoeling warmte wordt gebruikt als energiebron wordt de COP van dergelijke systemen gedefinieerd als de verhouding van de onttrokken warmte tot de daarvoor gebruikte toevoerwarmte. Bij adsorptiekoeling ligt de prestatiecoëfficiënt (COP) gewoonlijk tussen de 0,4 en 0,6. Dit wil zeggen dat 1 kWh warmte 0,4 – 0,6 kWh koeling oplevert.

Door een adsorptiekoeler te gebruiken in combinatie met een (eventueel aanwezige) warmtebron (warmtenet, micro-WKK) wordt deze warmte goed benut en is er geen extra elektriciteit nodig voor ruimtekoeling.

Gebruik

Adsorptiekoeling is een geschikte koeltechniek als er tijdens het koelseizoen warmte beschikbaar is van 60 ºC of hoger. Vooral de combinatie met zonnecollectoren zorgt voor een aantrekkelijke toepassing in de gebouwde omgeving.

Een adsorptiekoeler heeft een beperkte koelcapaciteit. Om ervoor te zorgen dat er altijd voldoende koelwater is, is een groot voorraadvat nodig. Is er meer koelcapaciteit nodig, dan kunnen meerdere units achter elkaar worden geplaatst. Overtollige warmte kan in een bron worden opgeslagen, waardoor de adsorptiemachine in de winter ook zou kunnen verwarmen met ongeveer even veel capaciteit als tijdens het koelen.

Stand van de techniek

De eerste adsorptiekoelmachines werden al in 1986 in Japan geplaatst, maar inmiddels zijn deze systemen ook in Europa te vinden. De koelcapaciteit varieert tussen 5 en 1.000 kW met een gemiddelde COP van 0,6. De prijs varieert van € 500,- tot meer dan € 1.000,-  per kW koude.

Adsorptiekoelers hebben in de gebouwde omgeving de voorkeur boven absorptiekoelers, doordat adsorptiekoelers warmtebronnen met een lagere temperatuur kunnen gebruiken. Vooral de combinatie met zonnecollectoren kan een goed alternatief bieden voor traditionele compressiekoelmachines.

Bij diverse universiteiten en onderzoeksinstellingen wordt momenteel onderzoek gedaan naar andere vaste stof–vloeistof combinaties waarmee wellicht een hoger rendement kan worden behaald. 

De markt voor adsorptiekoelers is veelzijdig, doordat deze koudetechniek breed toepasbaar is zolang er warmte aanwezig is met voldoende hoge temperatuur. Deze techniek wordt vooral toegepast in kantoorpanden, ziekenhuizen, winkelcentra en overheidsgebouwen. De koelers kunnen dan vaak worden aangedreven met stadswarmte, restwarmte, of warmte van een WKK.

Voor woningen is adsorptiekoeling pas aantrekkelijk als het gebouw is aangesloten op een warmtenet, of zonnecollectoren heeft die voor voldoende warmte kunnen zorgen.

Deze techniek is redelijk nieuw vergeleken bij andere koudetechnieken. Er wordt dus nog veel onderzoek gedaan om deze techniek verder te optimaliseren tot compactere systemen met een hogere efficiëntie. In de afgelopen jaren hebben Europese ontwikkelaars een commerciële adsorptiekoeler (10 kW koude) ontwikkeld die tevens een warmtepompfunctie heeft om de ruimte te verwarmen.

Aandachtspunten, voor- en nadelen

Voor adsorptiekoeling is geen mechanische energie of elektriciteit nodig als aandrijving. Er wordt alleen elektriciteit gebruikt voor het rondpompen van de vloeistof.

In situaties waar weinig elektriciteit beschikbaar is, of waar gebruik van compressiekoelmachines duur is, kan adsorptiekoeling een aantrekkelijk alternatief zijn. Vooral als er op de locatie een warmteoverschot is waarmee de adsorptiekoeler kan worden aangedreven.

Adsorptiekoelers hebben minder onderhoud nodig dan traditionele airco’s, omdat er vrijwel geen bewegende delen aanwezig zijn die kunnen slijten. Het systeem is ook vrij stil, doordat bij adsorptiekoeling geen compressor aanwezig is. Daarnaast zijn er belangrijke voordelen voor het milieu: er wordt water gebruikt als koudemiddel en er worden geen fluorkoolwaterstoffen (HFK’s) gebruikt.

Adsorptiekoeling heeft - vergeleken bij absorptiekoeling - het voordeel dat deze ook bij aandrijftemperaturen onder 80ºC kan presteren.

Bronnen / verder lezen

1. ECN. (2006). Vaste stof-damp sorptiekoeling. https://publicaties.ecn.nl/ECN-V--06-001