Raumkühlung durch Verdunstung

Horst Doerk

Zur Verminderung von CO₂-Emissionen und zum Ersatz von chlorierten Kohlenwasserstoffen (FCKW) wurde in der Klimatechnik für die sommerliche Kühlung ein altbekanntes Verfahren, die sogenannte "adiabate" Verdunstungskühlung durch Befeuchtung mit Wasser, wiederentdeckt. Das Verfahren der Verdunstungskühlung wendet man zur Raumklimatisierung allerdings nicht direkt an, sondern man bedient sich des indirekten Verfahrens der Befeuchtung und Kühlung der Abluft und der Übertragung der "Kälte" auf die Zuluft. Die Raumluft soll schließlich nur gekühlt, nicht aber befeuchtet werden.

Die Leistung der Verdunstungskühlung hängt entscheidend von der Feuchte der Luft ab. Je trockener die Luft ist, desto mehr Wasser kann sie aufnehmen und desto höher ist demzufolge die erreichbare Kühlleistung. Unter den Bedingungen mitteleuropäischer klimatischer Verhältnisse reicht das Verfahren der indirekten Verdunstungskühlung - wie die Praxis zeigt - für viele Objekte aus.

Um die Leistung der Verdunstungskühlung an einem Zahlenbeispiel zu verdeutlichen: Ein Gebäude soll belüftet und gleichzeitig gekühlt werden. Bei einem Außenluftzustand von 32°C, 40% r.F. und einem Raumluftzustand von 26°C, 55% r.F. läßt sich mit der indirekten Verdunstungskühlung eine Zulufttemperatur von ca. 22°C erreichen. Wird nun jedoch - z.B. aufgrund hoher innerer Wärmelasten - eine tiefere Zulufttemperatur gefordert, so muß die Verdunstungskühlung mit einem weiteren Verfahren ergänzt werden.

Die Erreichung tieferer Zulufttemperaturen ist nun zum einen durch die Kombination der Verdunstungskühlung mit einer nachgeschalteten - jetzt allerdings wesentlich kleineren - Kältemaschine oder zum anderen durch eine der Verdunstungskühlung vorgeschaltete Lufttrocknung möglich.

Getrocknet wird die Luft in beiden Fällen; im Falle der nachgeschalteten Kältemaschine durch die Unterschreitung des Taupunktes. Der Trocknungseffekt beider Verfahren ist in jedem Fall erwünscht, da der Feuchtegehalt der Luft bei hohen Temperaturen einen wesentlichen Faktor für das Behaglichkeitsempfinden des Menschen darstellt. Da bei hohen Temperaturen der größere Teil der Körperwärme über die Verdunstung abgeführt wird, wird trockene Luft demzufolge als behaglicher empfunden.

Bild 1: Schaltbild Sorptionstrocknung und Verdunstungskühlung.

Verdunstungskühlung mit vorgeschalteter Sorptionstrocknung

Die Technik der Sorptionstrocknung mit festen oder flüssigen Sorptionsmitteln ist seit langem bekannt und bewährt. Für den Einsatz in der Klimatechnik waren jedoch bislang die erforderlichen hohen Temperaturen (120 - 180°C) zur Regeneration der herkömmlichen Sorptionsmittel hinderlich.

Die Anwendung von Niedertemperaturwärme (Abwärme, Solarenergie) zur Regeneration der Sorptionsmittel erfordert den Einsatz spezieller Medien. Zu diesem Zweck wurde ein geeignetes Sorptionsmittel auf Basis von Kalziumchlorid (CaCl₂)-Lösung entwickelt. Diese Sorptionslösung erfordert Regenerationstemperaturen von nur ca. 60°C.

Die Realisierung eines Klimasystems zur Trocknung und Kühlung von Luft mit teilweise marktüblichen Komponenten zeigt Bild 1. Die Außenluft wird im Absorber im Gegenstrom zur herabrieselnden konzentrierten Solelösung zunächst getrocknet. Wesentliches Merkmal dieser Trocknung ist - zur Abfuhr der Kondensations- und Sorptionswärme des Trocknungsprozesses - die gleichzeitige Kühlung des Absorbers. Durch diese Kühlung verläuft die Zustandsänderung der Trocknung nahezu isotherm, d.h. mit gleicher Temperatur. Die Kühlung des Absorbers wird dabei durch eine Befeuchtung der Abluft realisiert.

Die getrocknete Außenluft wird anschließend, in zwei hintereinandergeschalteten Kreuzstrom-Wärmeübertragern, im Kreuz-Gegenstrom zur Abluft, die gleichzeitig befeuchtet wird, gekühlt. Die Darstellung der einzelnen Zustandsänderungen im h,x-Diagramm zeigt Bild 2.

Bild 2: Zustands-
änderung der
kombinierten
Sorptions-
trocknung und
Verdunstungs-
kühlung.

Die verdünnte Sorptionslösung wird im Desorber mittels erwärmter Außenluft wieder regeneriert. Als Wärmequelle zur Regeneration reicht hierbei eine entsprechend dimensionierte Solarkollektoranlage, eine Abwärmequelle mit Temperaturen > 60°C oder z.B. das Energieangebot eines vorhandenen Fernwärmenetzes (Abwärmenutzung im Sommerbetrieb) aus.

Dem Einsatz von Solarkollektoranlagen kommt entgegen, daß die zur Verfügung stehende Leistung tendenziell mit der - von der Sonneneinstrahlung verursachten - Kühllast des Gebäudes übereinstimmt.

Verdunstungskühlung mit integrierter, nachgeschalteter Kältemaschine

Bild 3 zeigt den Aufbau eines Kompakt-Klimagerätes mit indirekter Verdunstungskühlung und integrierter, nachgeschalteter Kältemaschine mit Direktverdampfer und fortluftgekühltem Kondensator. Die zentrale Funktionseinheit des Klimagerätes bildet ein Doppel-Plattenwärmeübertrager, der, in Kreuz-Gegenstrom-Luftführung geschaltet, im Winterbetrieb einen hohen Wärmerückgewinn (Rückwärmzahl 0,7 - 0,8) erzielt und im Sommerbetrieb in Verbindung mit einer Sprühbefeuchtungseinrichtung eine hochwirksame, indirekte Verdunstungskühlung ermöglicht.

Bild 3: Schaltbild Verdunstungskühlung und ergänzende Kältemaschine.

Die Raumabluft wird beim Eintritt in den Doppel-Plattenwärmeübertrager sowie bei der Umlenkung vom ersten in den zweiten Plattenwärmeübertrager mit Wasser besprüht und nahe bis zur Sättigungsgrenze befeuchtet. Hierbei kühlt sich die Abluft, der die Verdampfungswärme des verdunstenden Wassers entzogen wird, näherungsweise isotherm bis nahe an die Taupunkttemperatur ab (Bild 4). Im Kreuz-Gegenstrom zur Abluft strömt die Außenluft durch den Plattenwärmeübertrager und wird ihrerseits mit hohem Wirkungsgrad gekühlt, ohne dabei befeuchtet zu werden.

Bild 4: Zustands-
änderungen der
Kombinierten
Verdunstungs-
kühlung mit
ergänzender
Kältemaschine.

Die so bereits vorgekühlte Außenluft kann anschließend - je nach gebäudetechnischen Gegebenheiten - bei Bedarf mit Umluft gemischt werden und wird dann im Direktverdampfer einer Kältemaschine auf den vorgegebenen Sollwert der Zulufttemperatur abgekühlt. Da bei der Abkühlung der Außenluft im Direktverdampfer in der Regel - zumindest oberflächennah - die Taupunkttemperatur unterschritten wird, wird die Außenluft auch entfeuchtet. Die Entfeuchtung hat - neben dem Behaglichkeitsvorteil - auch einen energetischen Effekt für die Verfahrenskombination: Durch die Trocknung der Raumluft kann die Abluft wiederum bei der Befeuchtung mehr Wasser aufnehmen, die Leistung der Verdunstungskühlung steigt. Die Kühlung des Kondensators der Kältemaschine erfolgt mit der befeuchteten und abgekühlten Fortluft.

Abgesehen von der Tatsache, daß durch die vorgeschaltete Verdunstungskühlung jetzt nur noch eine erheblich kleinere Kälteleistung erforderlich ist, bewirken diese besonderen Bedingungen für die Kältemaschine günstige Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen und damit eine sehr günstige Leistungszahl. Legt man für einen konventionellen Kaltwassersatz als Leistungszahl = 3 zugrunde, so beläuft sich unter gleichen Bedingungen die Leistungszahl der integrierten Kältemaschine auf = 5.

Energetischer Vergleich

Verglichen werden sollen im folgenden die beschriebenen Kombinationen der Verdunstungskühlung mit dem herkömmlichen Verfahren einer konventionellen Kältemaschine (Kaltwassersatz). Basis für den nachstehenden Vergleich bilden die Auslegungsdaten zur Klimatisierung eines Raumes mit einem Außenluftmassenstrom von 10 kg/s (ca. 30000 m³/h):

Abluft: 26°C, 55% r.F.
Außenluft: 32°C, 40% r.F.
Zuluft: 17°C, 85% r.F. (Sollwert)

Aufgrund dieser Daten ergibt sich - für alle Systeme - eine Kühlleistung von 180 kW.

Der energetische Vergleich (Tabelle) umfaßt den zur Kühlung und Entfeuchtung notwendigen Leistungsbedarf der Kältemaschine und aller Hilfsantriebe, insoweit sie systemspezifisch und nicht anlagenbedingt sind.

Tabelle: Energetischer Vergleich dreier Kühlungsarten

Sorptionskühlung mit Verdunstungskühlung
Kältemaschinenleistung bei		KW °C	190 0/45	80 10/40	-
Wärmeverluste Kaltwasserleitungen		kW	- 10	-	-
Verdunstungskühl- leistung kW		kW	-	100	100
Sorptionstrocknung		kW	-	-	80
Gesamtkühlleistung		kW	180	180	180
Verdichter- Aufnahmeleistung kW		kW	68	16	-
Ventilatorleistung		kW	6	10	14
Pumpenleistung, Wasser		kW	1	3	6
Pumpenleistung, Sole		kW	-	-	2
Pumpenleistung, Solarkollektor		kW	-	-	2
Desorptionswärme		kW	-	-	120
Gesamtauf- nahme- leistung	elektrisch	kW	75	29	24
	thermisch	kW	-	-	120

Investitionskostenvergleich

Das vorbeschriebene Verfahren der Verdunstungskühlung mit vorgeschalteter Sorptionstrocknung wurde bislang nur in Form eines praxisnahen Versuchsgerätes realisiert. Exakte Werte hinsichtlich der zu erwartenden Gerätekosten liegen damit z. Zt. noch nicht vor, jedoch ist aufgrund des erheblichen apparativen Aufwandes zu erwarten, daß die Investitionskosten dieses Systems deutlich über denen einer konventionellen Kälteanlage liegen werden.

Die Kombination "Verdunstungskühlung mit nachgeschalteter Kältemaschine" hat sich mittlerweile am Markt etabliert, die Gerätekosten entsprechen in etwa denen herkömmlicher Kaltwassersätze. Berücksichtigt man aber über die sommerlichen Kühlerfordernisse hinaus, daß in der Kombination "Verdunstungskühlung mit nachgeschalteter Kältemaschine" - wie auch in der Kombination mit der Sorptionstrocknung - die Wärmerückgewinnung für den Winterbetrieb bereits enthalten ist, ergibt sich in der Regel ein Kostenvorteil für diese Kombination.

Beurteilung

Der Vergleich der drei Systeme weist zunächst aus, daß die Kombination "Verdunstungskühlung mit vorgeschalteter Sorptionstrocknung" energetisch am günstigsten abschneidet, sofern die Regeneration der Sorptionslösung mittels Solarenergie oder mittels Abwärme vorgenommen wird. Aber auch dann, wenn diese Regeneration mittels Wärme aus einem Verbrennungsprozeß durchgeführt wird, ergibt sich noch ein geringer, primärenergetischer Vorteil der Sorptionstrocknung gegenüber dem rein kältetechnischen Verfahren des Kaltwassersatzes. Der energetische Vergleich der beiden Kombinationen "Verdunstungskühlung mit vorgeschalteter Sorptionstrocknung" und "Verdunstungskühlung mit nachgeschalteter Kältemaschine" entscheidet sich nun exakt an der energetischen Behandlung der Regeneration. Solange man die Solarenergie oder vorhandene Abwärme im energetischen Vergleich nicht berücksichtigt, liegt der Vorteil bei der Sorptionstrocknung. Wenn die erforderliche Regenerationswärme jedoch mittels eines Brennstoffs erzeugt werden muß, ist das Verfahren der "Verdunstungskühlung mit integrierter Kältemaschine" eindeutig als energetisch günstiger zu beurteilen.

L i t e r a t u r :

Ney, A.: Adiabate Kühlung? - Klimatisierung mit Verdunstungskühlung. In: KI, Heft 7/92.

Kipping, D.E.; Bischoff, M.: Entwicklung von umweltfreundlichen, langzeitstabilen, materialverträglichen Betriebsmedien für offene Raumklimaanlagen über Sorption als Ersatz für FCKW. Abschlußbericht zum Forschungsvorhaben 0329 151 A.

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