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Wenn aus Wasser Kälte wird

Verdunstungskühlung in Klimaanlagen senkt Betriebskosten und CO2-Emissionen. Von Dr. Manfred Stahl.

Weltweit sorgen Millionen Klimaanlagen dafür, dass in Büros ein angenehmes Arbeitsklima herrscht, in Kliniken, Labors, Produktionen und Rechenzentren vorgegebene Luftqualitäten und Temperaturen eingehalten werden, und dass verderbliche Waren sicher gelagert werden. Bei diesen Klimaprozessen ist die Kühlung der Luft in Wasserkühlsätzen besonders aufwendig: Sie arbeiten mit umweltschädlichen Kältemitteln, verbrauchen viel Strom und erzeugen hohe CO2-Emissionen. Die indirekte Verdunstungskühlung ist eine ökologische Alternative. Sie erzeugt die Kälteleistung zur Luftkühlung mit Wasser, verbraucht weniger Strom, ganz ohne synthetische Kältemittel. Wie funktioniert diese umweltfreundliche Wasserkühltechnik, die in der Klimatechnik immer mehr an Bedeutung gewinnt?

Die Verdunstungskühlung beruht auf dem physikalischen Prinzip, dass Luft dampfförmiges Wasser aufnehmen und speichern kann. Für diesen Prozess muss die Luft aber die dazu notwendige Verdampfungswärme von 2.500 kJ pro kg Wasser „aus sich selbst heraus“ bereitstellen und kühlt dadurch ab. Dieser natürliche Vorgang ist jedem bestens bekannt. Wenn im Sommer Außenluft mit einer Temperatur von 32 °C durch einen intensiven Regen bis auf fast 100 % relative Feuchte befeuchtet wird, sinkt ihre Temperatur auf etwa 23 °C. Wie nutzt man diese Erkenntnis zur Luftkühlung in Klimaanlagen?

DIE TECHNISCHE UMSETZUNG

In einer Klimaanlage wird von einem Ventilator Außenluft angesaugt. Diese wird gefiltert, in der Wärmerückgewinnung von der Abluft vortemperiert und anschließend in Wärmeübertragern auf den gewünschten Zuluftzustand nacherwärmt oder nachgekühlt. Das dazu benötigte Kühl- oder Heizwasser kommt von einer Kältemaschine oder einem Heizkessel. Gleichzeitig durchströmt die aus dem Gebäude entnommene Abluft im Klimagerät die Wärmerückgewinnung, nimmt darin Wärme aus der Außenluft auf (oder gibt Wärme an die Außenluft ab) und wird als Fortluft ins Freie abgeführt. Nun wird dieser Prozess um die Verdunstungskühlung ergänzt.

Wenn im Sommer die ins Klimagerät angesaugte Außenluft direkt befeuchtet und dadurch gekühlt wird, ergibt sich eine Zuluftfeuchte von über 90 %, die in den Räumen eine unangenehme Schwüle erzeugt. Daher wählt man bei der indirekten Verdunstungskühlung den Umweg über die Abluft, die gezielt befeuchtet und dadurch abgekühlt wird. Dadurch kann die nun kühlere Abluft in der anschließenden Wärmerückgewinnung der Außenluft mehr Wärme entziehen und sie stärker kühlen. Und wenn die Außenluft in der Wärmerückgewinnung stärker gekühlt wird, muss sie gar nicht mehr oder deutlich weniger mechanisch nachgekühlt werden. Somit kann die Verdunstungskühlung Wasserkühlsätze substituieren oder deren Leistung verringern und dadurch elektrische Energie, CO2-Emissionen und Betriebskosten einsparen.

WIE LEISTUNGSFÄHIG SIND SOLCHE SYSTEME?

Wie effizient und wirtschaftlich eine Verdunstungskühlung in der Praxis tatsächlich ist, hängt von mehreren Parametern ab:

  • Je größer der Temperaturabstand zwischen der Außenluft und der Abluft ist, umso mehr thermische Energie wird in der Wärmerückgewinnung übertragen. Dazu sollten Systeme zur Wärmerückgewinnung Rückwärmezahlen (Effizienz) von mindestens 70 % aufweisen.
  • Je wärmer und je trockener die Abluft ist, umso mehr Wasser kann sie aufnehmen und umso stärker kann sie abkühlen. Ziel ist es, in der Verdunstungskühlung die Abluft so nahe wie möglich an 100 % relative Feuchte zu befeuchten und ein Maximum an Kühlwirkung zu erreichen.
  • Der Druckverlust der Wärmerückgewinnung sollte gering sein, weil er durch eine höhere Leistung des Ventilators kompensiert werden muss.

Mit einem Beispiel soll die Leistung einer indirekten Verdunstungskühlung erläutert werden.

Im Fall 1

Sommerbetrieb ohne Verdunstungskühlung: Die ins Klimagerät angesaugte Außenluft (32 °C) wird in der Wärmerückgewinnung (Rückwärmezahl 75 %) von der Abluft (26 °C) vorgekühlt. Dabei sinkt die Temperatur der Außenluft um 4,5 K auf 27,5 °C. Um die geforderte Zulufttemperatur von 19 °C zu erreichen, muss die Luft noch um 8,5 K nachgekühlt werden.

Im Fall 2

Sommerbetrieb mit Verdunstungskühlung über Wabenbefeuchter: Die Abluft wird in einer Verdunstungskühlung auf 95 % relative Feuchte befeuchtet und dadurch von 26 °C auf 21 °C gekühlt. Die Temperatur der Außenluft (32 °C) sinkt in der Wärmerückgewinnung nun um 8,2 K auf 23,8 °C. Jetzt muss die Luft nur noch um 4,8 K auf den Zuluftzustand 19 °C nachgekühlt werden.

Bei einem Luftvolumenstrom von 10.000 m³/h entspricht diese „Einsparung“ von 8,5 – 4,8 = 3,7 K einer Kälteleistung von 12,3 kW, die der Wasserkühlsatz nun nicht mehr erzeugen muss. Doch der zuvor beschriebene konventionelle Prozess der indirekten Verdunstungskühlung kann durch eine neue Technologie nochmals deutlich gesteigert werden.

VERDUNSTUNGSKÜHLUNG MIT KÄLTE-TURBO

Bei dem bisher erläuterten Prozess wird die Abluft in einem separaten System befeuchtet und strömt dann in die Wärmerückgewinnung ein. Wenn nun das zur Verdunstung vorgesehene Wasser direkt in die Abluftseite der Wärmerückgewinnung eingesprüht wird – wie beim modularen Ka2O-System von Kampmann - wird eine größere Kälteleistung erreicht. Ein Ka2O-Modul besteht aus einem Gegenstromwärmeübertrager mit 160 dünnen, hydrophil beschichteten Aluminiumplatten und Düsen, die Wasser in Richtung des Abluftstroms direkt in den Wärmeübertrager sprühen. Durch die Kapillarwirkung der hydrophilen Beschichtung wird das eingesprühte Wasser homogen auf den abluftseitigen Oberflächen der Wärmeübertragerplatten verteilt. Bei diesem Prinzip ergibt sich zusätzlich zur „normalen“ Verdunstungskühlung aufgrund der Wärmeaufnahme an den feuchten, hydrophilen Platten aus der Außenluft ein weiterer Verdunstungs- und Kühleffekt und somit eine Steigerung der Effizienz und der Leistung. In Abhängigkeit vom Luftvolumenstrom werden die Ka2O-Module (je 400 m³/h) im Klimagerät als Türme über- und nebeneinander angeordnet. Bei gleichen Bedingungen wie zuvor kühlt dieses System Außenluft von 32 °C auf eine Zulufttemperatur von nun 21 °C. Das bedeutet im Vergleich zur konventionellen Verdunstungskühlung eine nochmalige Temperaturverringerung um 2,8 K und eine Einsparung an mechanischer Kühlleistung um weitere 9,3 kW. Bei einem Luftvolumenstrom von 10.000 m³/h benötigt das Ka2O-System zur Erzeugung einer Kühlleistung von insgesamt 36,7 kW nur 77 Liter Wasser pro Stunde und eine geringe Pumpenleistung.

IN ZUKUNFT VERDUNSTUNGSKÜHLUNG?

In einem Klimagerät ist die Ergänzung einer Wärmerückgewinnung um eine hocheffiziente Verdunstungskühlung auf der Abluftseite in sehr vielen Fällen ökologisch sinnvoll und wirtschaftlich interessant. In ausgeführten Anlagen wurde nachgewiesen, dass durch den Betrieb der Verdunstungskühlung die im Wasserkühlsatz zu erzeugende Kältearbeit zur Luftkühlung im Jahresbetrieb bis 80 % verringert wird und somit Strom, Betriebskosten und CO2 eingespart werden. Allerdings konnten in dem Beitrag nur einige grundlegende Aspekte der Verdunstungskühlung dargestellt werden: Mehr Informationen gibt es ab September bei der Kampmann/NOVA-Veranstaltungsreihe.

Schaubild Anordnung von Ka2O-Modulen

ANORDNUNG VON Ka2O-MODULEN (Bildmitte) zur indirekten Verdunstungskühlung in einem Klimagerät. Zur Kühlung von
10.000 m³/h Außenluft von 32 °C auf 21 °C werden nur 77 Liter Wasser pro Stunde benötigt – anstelle der Leistung eines
Wasserkühlsatzes von fast 37 kW.

Bild: Dr. Manfred Stahl © Dr. Manfred Stahl