IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 6/1997, Seite 176 ff.
KLIMATECHNIK
Luftkühlung ohne Kältemaschine
Dipl.-Ing. Herbert Schartmann
Wo Menschen leben und streßfrei arbeiten sollen, ist die Einhaltung einer zuträglichen Raumtemperatur und einer gesundheitsförderlichen Luftgüte unerläßlich. Die Beheizung von Räumen macht der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA) kein Problem. Die Auswirkungen der verschärften Wärmeschutzverordnung und der Trend zum Null-Energie-Haus führt zu Bauarten, die an das Prinzip der Thermosflasche erinnern. Geringe innere Wärmelasten im Raum durch Beleuchtung, EDV und Menschen decken den geringen Wärmebedarf, und bei zusätzlicher Strahlungswärme von außen muß Wärme als Kühllast aus dem Raum transportiert werden, d.h. der Raum muß gekühlt werden, um die Raumtemperatur nur begrenzt ansteigen zu lassen.
1. Einleitung
Dichte Räume sind nur in den Übergangszeiten durch Fenster, Dachkuppeln oder Türen natürlich zu lüften. Um den Energiebedarf gering zu halten, ist mechanische Be- und Entlüftung mit hochwirksamer Wärmerückgewinnung WRG zwingend notwendig. Eine Raumlufttechnische Anlage (RLT) kann zur Kühlung der Zuluft genutzt werden. Bis zu einer Außentemperatur von etwa +20°C können mit der kühleren Außenluft als Zuluft in vielen Räumen akzeptable Raumlufttemperaturen gehalten werden. Erst bei steigender Außentemperatur muß die Zuluft gekühlt werden.
Die oft recht kurzen Sommerperioden in Mitteleuropa führen dazu, daß Bauherren die Investitionen und Betriebskosten für kältetechnische Einrichtungen in RLT-Anlagen für normale Räume als zu hoch ansehen. Darüber hinaus werden ökologische Gründe angeführt, die gegen den Einbau von klassischen Kältemaschinen mit Verdichtern sprechen.
Um den unvermeidlichen Anstieg der Raumtemperaturen im Sommer zumindest zu begrenzen, stehen moderne Luftkühlsysteme als gute Kompromißlösungen zur Verfügung. Bekannte natürliche Prozesse der Verdunstungskühlung werden mit WRG-Systemen kombiniert. Der Bedarf an Primärenergie für Kühlung wird deutlich reduziert und so ein Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen erbracht.
| Bild 1: Klassische Verdunstungskühleinrichtung mit porösen Tongefäßen und Wedel für Handbetätigung. |
2. Blick in die Geschichte der Kühlung
Die kühlende frische Luft im Sommer in der Nähe von Wasser kann man an Wasserfällen, Stränden und auch an Springbrunnen verspüren. Warme Luft ist in der Lage, große Mengen Wasserdampf aufzunehmen. In der Nähe von Wasser wird der Luft die Wärme entzogen, die zum Übergang des Wassers in Dampfform (Verdunstung) notwendig ist. Die Luft wird kühler und feuchter bei gleichem Wärmeinhalt (Enthalpie). Diese sogenannte adiabatische Befeuchtung und Kühlung nutzten auch schon die Ägypter. Poröse Tongefäße mit Wasserfüllung brachten Abkühlung. Der Effekt der Verdunstungskühlung wurde intensiviert, wenn ein Diener einen großen Wedel bewegte. Warme Luft wurde über Wasserflächen oder Zimmerbrunnen gekühlt und konnte der Hausherrschaft zugefächert werden (Bild 1). Feuchte Tongefäße werden auch heute noch als Weinkühler benutzt.
Die Nutzung von Natureis, aufbewahrt in isolierten, unterirdischen Stollen, ist aus der Antike ebenfalls bekannt. Über weite Strecken transportierte man mit Karawanen Eis aus dem Gebirge, um Nahrungsmittel zu kühlen und sich den überaus teuren Luxus der Kühlung eines Raumes zu leisten. Das Prinzip der Natureisspeicherung wurde bis in das 20. Jahrhundert hinein angewandt und erst durch die Kältemaschine verdrängt.
Der französische Physiker Carre meldete 1864 das erste Patent auf eine Kompressionskältemaschine an. Linde baute 1875 die erste wirtschaftlich arbeitende Kältemaschine nach dem Kompressionsverfahren für Ammoniak.
3. Kühlung durch Abluftbefeuchtung
FCKW-freie Luftkühlung ist durch Abluftbefeuchtung und sorptionsgestützte Kühlung möglich. Die wichtigsten und inzwischen immer häufiger angewandten Systeme werden an Beispielen erläutert. In den Prinzipschaltbildern ist zur besseren Verdeutlichung des Kühlfalles auf die Darstellung von Regeleinrichtungen, Klappen, Schalldämpfern etc. verzichtet worden. Hersteller von technisch hochwertigen RLT-Zentralgeräten bieten steckerfertige Zu- und Abluftgeräte für jeden Anwendungsfall an. Die verschiedenen adiabatischen Befeuchtungseinrichtungen wie Luftwäscher, Rieselbefeuchter, Verdunstungsbefeuchter, Kaltdampferzeuger und Ultraschallbefeuchter finden auch für die Abluftbefeuchtung Anwendung [1]. Die Wirkung der einzelnen Anlagenelemente wird durch die Darstellung des Zustandsverlaufes der Zu- und Abluft im h,x-Diagramm verdeutlicht.
| Bild 2: RLT-Anlage mit WRG als Kreislaufverbundsystem mit Abluftbefeuchtung zur Außenluftkühlung im Sommer. Das Schema zeigt das Anlagenprinzip. Im h,x-Diagramm ist der Zustandsverlauf der Außen- und Abluft dargestellt. |
3.1 Kreislaufverbundsysteme
Das Funktionsprinzip einer Wärmerückgewinnung als Kreislaufverbundsystem zeigt Bild 2. Im Winter erwärmt wärmere Abluft das Umlaufwasser und dieses wiederum die kalte Außenluft. Das Wasser fließt mit niedrigerer Temperatur zum Abluftkühler, um hier wieder Wärme aufzunehmen. Der Kreislauf ist geschlossen. Ein Regelventil begrenzt im Winterfall die Wärmerückgewinnung zur Einhaltung der erforderlichen Zulufttemperatur.
| Bild 3: Steckerfertiges Küchenabluftgerät für Dachaufbau mit Abluftdüse. Im Gerät ist die Umwälzpumpe, Ausdehnungsgefäß und die Armaturen eines WRG-Kreislaufverbundsystems eingebaut. Vor- und Rücklaufanschluß stirnseitig. |
Im Sommer funktioniert das System umgekehrt, wenn die Abluft kälter ist als die Außenluft, also oberhalb von etwa +27°C. Kühle Abluft kühlt das zirkulierende Wasser und dieses kann die Temperatur der warmen Außenluft senken. Da die Temperaturunterschiede zwischen Ab- und Außenluft nur gering sind, z.B. 32 - 27 = 5 K ist selbst bei Wärmeaustauschern mit hoher Rückwärmzahl die Luftkühlung nur gering. Die adiabatische Befeuchtung der Abluft verstärkt den Prozeß erheblich. Die Abluft wird um etwa 6 K im Befeuchter gekühlt, so daß die Außenluft um ca. 8 K kälter wird. Mit einer solchen Zulufttemperatur kann der Temperaturanstieg im Raum deutlich begrenzt werden. Bild 3 zeigt ein Lüftungsgerät mit Kreislaufverbundsystem.
Ein großer Vorteil dieses Prinzips ist die Kombination mehrerer Abluftanlagen mit einer Zuluftanlage oder umgekehrt, da die Verbindung der einzelnen Wärmeaustauscher durch Vor- und Rücklauf des WRG-Systems über größere Entfernungen leicht herzustellen ist. Darüber hinaus eignet sich das Verfahren auch zur Nachrüstung in bestehenden Anlagen, und die Investitionen sind vergleichsweise gering [2].
| Bild 4: RLT-Anlage mit WRG als Kreislaufverbundsystem mit Abluftbefeuchtung zur Außenluftkühlung im Sommer. Der Gegenstromapparat im Wasserkreislauf übernimmt die Heizung und macht einen zusätzlichen Lufterhitzer überflüssig. |
Die Zuluft wird durch die Förderleistung des Ventilators geringfügig erwärmt. Je nach Gesamtdruck liegt die Zunahme zwischen 0,5 und 2,0 K. Es ist also sinnvoll - auch um die Betriebskosten zu reduzieren -, die Luftwiderstände im RLT-System niedrig zu halten. Dies läßt sich durch vergrößerte Geräte und Kanalquerschnitte erreichen. Die Anzahl von Luftbehandlungselementen im Zuluftstrom kann aber auch durch Mehrfachnutzung des WRG-Wärmeaustauschers reduziert werden. Bild 4 zeigt eine RLT-Anlage wie bei Bild 2, jedoch ohne Lufterwärmer im Luftstrom. Das Umlaufwasser des Kreislaufverbundsystems wird im Winter durch einen Gegenstromapparat erwärmt, der seine Wärme von der Warmwasserheizung bezieht. Die Betriebskosten für den Lufttransport der Zuluft sinkt und die naturbedingte Temperaturerhöhung durch den Ventilator im Kühlfall wird geringer.
| Bild 5: RLT-Gerät für Zu- und Abluft mit 2-stufigem Platten-WRG und Abluftbefeuchtung. Die nasse Abluftseite führt zu erhöhter Kühlleistung im Sommerbetrieb. |
3.2 Kreuzstrom-Plattenwärmeaustauscher
Können in RLT-Systemen in der Klimazentrale die Außen- und Abluftströme gekreuzt werden, so bietet der Kreuzstrom-Plattenaustauscher eine gute Möglichkeit der Kühlung ohne Kältemaschine. Selbst bei Kleinanlagen, wie sie zur Wohnungslüftung gebaut werden, läßt sich dieses Prinzip wirtschaftlich nutzen. Bild 5 zeigt den schematischen Aufbau und Bild 6 das eigentliche Gerät. Die Wärmerückgewinnung und die Abluftbefeuchtung erfolgt in dem dargestellten Beispiel in zwei Stufen zur Erhöhung der Rückwärmezahl. Durch die Kombination von Verdunstungskühlung und Wärmeübertragung auf der nassen Abluftseite des Plattenaustauschers ist eine niedrige Fortlufttemperatur erreichbar. Im gleichen Maße steigt die erreichbare Kühlleistung auf der Außenluftseite. Die Zulufttemperatur sinkt. Die Regelung ist durch Bypaßbetrieb möglich.
| Bild 6: RLT-Gerät für sorptionsgestützte Kühlung und Heizung durch WRG-Regenerator und WFRG-Regenerator, kombiniert mit Zu- und Abluftbefeuchtung. Im h,x-Diagramm ist bei der Zu- und Fortluft die Lufttemperaturerhöhung durch den Ventilator zusätzlich dargestellt. |
3.3 Wärmerohr
Das unter Abschnitt 3.2 beschriebene Prinzip läßt sich auch mit einem sogenannten Wärmerohr (heat pipes) verwirklichen. Wärmerohre - zu bündeln als Wärmeaustauscher zusammengefaßt - sind teilweise mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt. Die Rohre werden in geneigter Form eingebaut. Die untere Rohrhälfte mit der Flüssigkeit wird von warmer Außenluft umströmt, deren Wärme die Wärmeträgerflüssigkeit im Rohr verdampft. Die Luft kühlt ab. Der Dampf steigt in die obere Rohrhälfte und wird dort durch Abgabe der Verdampfungswärme an die kältere Abluft im Sommer kondensiert. Das flüssige Trägermittel fließt in der speziell bearbeiteten inneren Rohrwandung des geneigten Rohres wieder nach unten, der Kreislauf ist geschlossen. Durch Änderung des Neigungswinkels wird die Leistung des Wärmerohres variiert. Da die Zu- und Abluftströme nebeneinander liegen, kann ein Stellantrieb die Kippregelung von Sommer- auf Winterbetrieb leicht umstellen. Die Abluftbefeuchtung erfüllt hier ebenfalls die Aufgabe der Leistungssteigerung im Sommerfall.
| Bild 7: RLT-Gerät für Zu- und Abluft mit Lufterwärmer und WRG-Rotor. Durch Abluftbefeuchtung wird der Kühleffekt im Sommer gesteigert. |
3.4 Rotierender Wärmerückgewinner
Eine weitere effektive Lösung zur Energierückgewinnung stellen die Rotoren dar (Bild 7). Eine luftdurchlässige Wärmeträgermasse, z.B. aus Aluminium (in der Form einer aufgewickelten Wellpappe) wird im Sommer von gekühlter Abluft durchströmt und kühlt das Material. Durch drehen der Masse gelangt es bei der nächsten halben Umdrehung in den warmen Außenluftstrom. Diese Luft wird gekühlt, das Material erwärmt. Es kann bei der nächsten halben Drehung wieder Wärme an die Abluft abgeben. Der Kreislauf ist geschlossen. Die übertragbare Leistung im Heiz- und Kühlbetrieb ändert sich mit der Drehzahl des Rotors und ist abhängig von der Masse des Rotormaterials.
In hygienisch sensiblen Anlagen werden die Rotoren so in RLT-Systeme integriert, daß an den unvermeidbaren Leckstellen keine kontaminierte Abluft in die Zuluft strömen kann. Die Strömungsrichtung muß in diesen Fällen umgekehrt sein. Bei dieser Konstruktion erfüllt das System die Anforderungen nach DIN 1946 Teil 4, Raumlufttechnische Anlagen in Krankenhäusern.
4. Sorptionsgestüzte Kühlung
Der Kühleffekt durch Wasserverdunstung kann erheblich gesteigert werden, wenn die Zuluft vorher eine Trocknung erfährt. Die Luftaufbereitung durch adsorptive1) Luftentfeuchtung und adiabate Verdunstungskühlung - im englischen Sprachraum als "Desiccant Cooling Systems" oder DEC-System bezeichnet - ist seit vielen Jahren in der Verfahrenstechnik eine erprobte Anlagenvariante. Umweltgefährdende Stoffe werden nicht eingesetzt, und die Energiekosten liegen deutlich unter denen der üblichen Klimatechnik [3].
| Bild 8: Gerätebauteil Platten-WRG mit Tropfenabscheider in der Fortluft, Bypaß zur Leistungsregelung. |
4.1 Sorptionsgestützte Kühlung mit Rotoren
Für RLT-Anlagen mit hohen Anforderungen an die Raumtemperatur und Raumluftfeuchte im Sommer- und Winterbetrieb eignet sich diese FCKW-freie Kühlung besonders gut. Die Heiz- und Befeuchtungseinrichtungen können bei diesem System dann zur Kühlung herangezogen werden, wenn im Sommerbetrieb Dampf oder Heizwasser mit einer Vorlauftemperatur von mehr als +65°C zur Verfügung steht. Adiabatische Befeuchter in Zu- und Abluft werden mit Sorptionsregenerator2) und Kondensations- bzw. Wärmeregenerator3) kombiniert. Der Antrieb des Kühlprozesses ist der Regenerationslufterhitzer. Die Wärme wird im Kühlbetrieb als Austreiber der Feuchte in der Abluft benötigt, ähnlich wie bei der Absorptionskälteanlage (Bild 8).
Raumluft wird als Abluft durch adiabatische Befeuchtung im Luftwäscher gekühlt. Mit dieser kalten Abluft wird die warme Außenluft über die WRG gekühlt, nachdem zuvor in einem rotierenden WFRG die Luft getrocknet wurde. Die erzielbaren Zulufttemperaturen nach dem Zuluftbefeuchter liegen bei +20°C. Statt des WRG-Rotors ist naturgemäß auch der Einsatz eines Kreuzstromaustauschers oder Wärmerohres möglich.
4.2 Sorptionsgestüzte Kühlung mit flüssigen Sorptionsmitteln
Um mit Niedertemperaturwärme von etwa +60°C aus Fernheizung und Solaranlagen die Regeneration eines Sorptionsmittels zu ermöglichen, wurde ein neues Mittel auf der Basis von Kalziumchlorid-Lösung (CaCl2) entwickelt.
Die Außenluft wird in einem Absorber4) getrocknet. Wie in einem Kühlturm rieselt die Solelösung von oben nach unten und die Luft strömt von unten nach oben [4]. Die Kühlung des Absorbers erfolgt gleichzeitig durch die befeuchtete, kühle Abluft. Die so getrocknete Außenluft wird anschließend durch die WRG und den adiabatischen Befeuchter auf die gewünschte Zulufttemperatur gekühlt.
5. Zusammenfassung
Um die CO2-Emission zu senken und die Kosten für RLT-Anlagen für Anwendungen in Räumen mit geringen Wärmelasten zu reduzieren, bietet die Klimatechnik Kompromisse an. Nach DIN 1946 Teil 2, Raumlufttechnik, Gesundheitstechnische Anforderungen, soll z.B. bei einer Außentemperatur von +32°C die Raumtemperatur zwischen 24 und 27°C liegen. Läßt man die Erreichung der oberen Grenze zu oder evtl. auch eine kurzzeitige Überschreitung, so können übliche Luftheizungen und andere Be- und Entlüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung durch Abluftbefeuchtung ebenfalls kühlen und die Bedingungen in den wärmebelasteten Räumen kostengünstig verbessern. Räume, die ganzjährig mechanisch gelüftet werden müssen und deren Anforderungen an den Raumluftzustand hoch sind, können mit der sorptionsgestützten Kühlung behandelt werden. Reichen die erzielbaren Zulufttemperaturen zur Kühllastdeckung nicht aus, so bietet sich bei den beschriebenen Kühlsystemen eine ergänzende Kältemaschine an. Die Leistung dieser Maschine und die Betriebsstundenzahl ist dann nur noch vergleichsweise niedrig.
Der "Luftkühlung ohne Kältemaschine" werden sich in zunehmendem Maße Anwendungsfelder eröffnen. Die TGA hat sich den neuen Anforderungen gestellt und entwickelt Geräte und Verfahren, die den Menschen in Räumen gesunde Klimabedingungen durch umweltschonende RLT-Anlagen bieten.
1) Adsorption: Anlagerung von Gasen oder gelösten Stoffen (z.B. Wasserdampf) an der Oberfläche fester Körper durch Molekularkräfte.
2) WFRG-Rotor für Wärme- und Feuchterückgewinnung
3) WRG-Rotor für Wärmerückgewinnung
4) Absorption: Anlagerung von Gasen oder Dämpfen durch feste Körper oder Flüssigkeiten unter vollständiger Durchdringung.
B i l d e r : ROX-Lufttechnik, Weitefeld
L i t e r a t u r :
[1] Schartmann, H.: Luftbefeuchtung in der Klimatechnik.
IKZ-HAUSTECHNIK, Heft 19/1994 und Heft 21/1994.
[2] Schartmann, H.: Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen mit Abluftbefeuchtung. Ki Luft- und Kältetechnik 3/1996.
[3] Busweiler, U.; Göbel, U.: Desiccant Cooling - Ein wirtschaftlicher Vergleich. Ki Luft- und Kältetechnik 10/1995.
[4] Steimle, F.: Flüssige Sorptionsmittel - Grundlagen
Dresdener Kolloquium; DEC - Die andere Klimatechnik. Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden 1995.
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