Adiabate Luftbefeuchtung

Neben der Temperatur ist die relative Luftfeuchtigkeit eine wesentliche Komponente, damit wir uns in Räumen wohl und behaglich fühlen. Da Luft bei höheren Temperaturen mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann als bei niedrigen Temperaturen, bedeutet ein Aufheizen von Luft grundsätzlich eine Reduzierung der relativen Luftfeuchte. Dadurch entsteht immer wieder (nicht nur im Winter) eine zu trockene Luft, die befeuchtet werden muss – insbesondere in geheizten Räumen – um ein angenehmes Raumklima sicherzustellen.

In der Raumluftkonditionierung stellt die Luftbefeuchtung dennoch eine oft unterschätzte Komponente dar. Nach brancheninternen Schätzungen werden derzeit höchstens 10 % der Klima- und Lüftungsanlagen mit einer Befeuchtungseinrichtung versehen. Dabei entscheidet eine angemessene Luftfeuchte u. a. nicht nur mit darüber, wie gesund und damit leistungsfähig und produktiv Menschen sind, sondern sie hat vielfach auch Einfluss auf Produkte und Prozesse, deren Qualität stark von den Bedingungen der konditionierten Raumluft abhängt.

Stand der Technik

Nach wie vor überwiegt in der Zuluftkonditionierung die isotherme Befeuchtung (heißer Wasserdampf) – v. a. in hygienekritischen Anwendungen, da das Erhitzen des Wassers auf 100 °C eine keimtötende Wirkung hat. Allerdings: Um 1 l kaltes Wasser in Dampf zu verwandeln, benötigt man ca. 750 W – unabhängig vom Verdampfungsprinzip. Im Rahmen der Gesamt-Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer Befeuchtungslösung sind neben den Anschaffungskosten daher auch die Betriebskosten zu berücksichtigen, die durch die benötigte (meist elektrische) Energie verursacht werden. Gasbetriebene Dampfbefeuchter haben sich aufgrund der beträchtlichen Anschaffungskosten gerade im Bereich unterer und mittlerer Befeuchtungsleistungen bislang kaum durchsetzen können. Zusätzlich führen Auflagen und Vorschriften hinsichtlich der Abgasführung in Verbindung mit den baulichen Gegebenheiten vor Ort nicht selten dazu, dass diese Variante entweder technisch zu aufwendig oder/und wirtschaftlich unattraktiv wird.

Eine Alternative, die zunehmend an Bedeutung gewinnt, sind adiabate Systeme. Diese arbeiten nicht mit heißem Wasserdampf, sondern mit kaltem Wasser, das bei Raumtemperatur verdunstet. Sie können Betriebskostenvorteile generieren, weil die Verdunstungsenergie aus der umgebenden Luft bezogen wird. Deren Wärme kann über günstigere Energieträger erzeugt (z. B. Gas, Solar- oder Geothermie) oder ggf. über Kreuzstrom-Wärmeübertrager der Abluft oder anderen Prozessen entnommen werden. Im Sommer ist darüber hinaus die zusätzliche Möglichkeit der adiabaten (Abluft-)Kühlung gegeben, wodurch weniger oder ggf. sogar überhaupt keine weitere Kühlleistung zum Einsatz kommen muss – was zusätzlich Kosten spart.

Praxisbeispiel: Systemvergleich Adiabatik

In der Blutbank des Oberösterreichischen Roten Kreuzes in Linz (AT) konnten die Energiekosten für die Befeuchtung von Büros, Laboren und Reinräumen um rd. 80 % (ca. 86 000 Euro p. a.) gesenkt werden, indem die vorhandenen Dampfluftbefeuchter in der Zuluftbefeuchtung durch entsprechende adiabate Hochdrucksysteme mit Verwirbelung ersetzt wurden. Dadurch betrug die Amortisationsdauer weniger als zwei Jahre. Die Erfüllung höchster hygienischer Standards ist über 18 Monate hinweg mehrfach überprüft, amtlich bestätigt und zertifiziert worden1).

Die auf dem Markt befindlichen adiabaten Befeuchtungssysteme unterscheiden sich v.a. hinsichtlich des erreichbaren Wirkungsgrads, der verwendeten Wasserqualität, des Verdunstungsprinzips und dadurch, ob Biozidzusätze für die Hygieneeinhaltung erforderlich sind. Der nachfolgende Überblick zeigt, welche Systeme sich für welche Anwendungen eignen.

1. Umlaufsysteme für Trinkwasser

Die einfachsten Systeme sind Trinkwasser-Umlaufsysteme, bei denen das Wasser mit sehr geringem Druck (ca. 2 bis 3 bar) versprüht wird (Luftwäscher, Bild 1) oder an einem Rieselkörper herunterläuft (Kontaktbefeuchter, Bild 2). Ein geringer Anteil des versprühten oder verrieselten Wassers wird von der durchströmenden Luft aufgenommen, der größte Teil fließt am Tropfenabscheider bzw. Rieselkörper wieder zurück ins Auffangbecken und wird erneut von der Pumpe in den Luftstrom gesprüht bzw. über den Rieselkörper geleitet. Diese Systeme benötigen keine Wasseraufbereitung, sind kostengünstig in der Anschaffung und werden oft noch in der Abluftkühlung / Abluftreinigung eingesetzt. Prinzipbedingt zeichnen sie sich allerdings durch einen geringen Wasserwirkungsgrad, eine sehr begrenzte Regelbarkeit und hohe Wartungsintensität bzw. erhebliche Verkalkungs- und Verkeimungsgefahr aus. Dadurch sind sie für die Zuluftbefeuchtung absolut nicht zu empfehlen – zumal sie i. d. R. nicht die Bedingungen der VDI 6022 erfüllen.

2. Frischwassersysteme für aufbereitetes Wasser

Etwas besser sind diesbezüglich Frischwassersysteme, die mit aufbereitetem Wasser, meist Wasser aus einer Umkehrosmose-Anlage (Permeat), betrieben werden. Da das Permeat hygienisch unbedenklich ist und nicht mehrfach verwendet wird, ist die Verkeimungsgefahr hier geringer.

Systeme, die die Zerstäubung des Wassers mittels Ultraschallgeber bewirken (Bild 3), ermöglichen eine sehr feine Zerstäubung des Wassers an der Oberfläche, was wiederum eine gute Aufnahme der Aerosole durch die Luft ermöglicht. Sie finden häufig in der Direktraumbefeuchtung von Obst- und Gemüseabteilungen in Supermärkten Anwendung, aber nur selten in der Zuluftbefeuchtung von Klimaanlagen. Ultraschallbefeuchter sind bauartbedingt nur für geringe Befeuchtungsleistungen geeignet und kostenintensiv in Relation zur Befeuchtungsleistung.  

Bei Hybridbefeuchtern (Bild 4) wird das aufbereitete Wasser mit einem geringen Druck (bis 10 bar) in einer Befeuchterkammer versprüht, an deren Ende Nachverdunstungselemente montiert sind. Die Nachverdunstungselemente bestehen aus offenporigem Material, das die nicht aufgenommenen

Aerosole speichert und nach und nach in den Luftstrom verduns­ten lässt. Hier sind je nach Baulänge der Kammer gute Wasserwirkungsgrade möglich und bei vorhandenen Druckregulierungs- und Düsenschaltungsmöglichkeiten entsprechende Regelungsoptionen gegeben. Begrenzt werden sie durch die nicht kontrollierbare Nachverdunstung nach Anlagendrosselung bzw. Abschaltung.

Diese Systeme benötigen meist eine regelmäßig zu erneuernde Dosierung von Bioziden (z. B. Wasserstoffperoxid, Silberionen o. ä.), um ein Keimwachstum auf den feuchten Nachverdunstungselementen zu verhindern. Bei einer Investitionsentscheidung ist dieser zusätzliche Wartungs- und Kostenaufwand im Betrieb zu berücksichtigen. Ein Vorteil dieser Systeme ist, dass sie (ggf. zulasten des Wirkungsgrades) relativ kompakt gebaut werden können, sofern das oft erhebliche Gewicht der Nachverdunstungselemente konstruktiv im Kanal abgefangen werden kann.

3. Druckwassersysteme für aufbereitetes Wasser mit Verwirbelung

Als besonders geeignet für die moderne Zuluftbefeuchtung haben sich frischwassergespeiste Nieder- und Hochdrucksys­teme mit vollflächiger Luftverwirbelung erwiesen, die mit Wasser aus einer Umkehrosmoseanlage betrieben und auch bei hygienekritischen Anwendungen erfolgreich eingesetzt werden. Diese Systeme sprühen das Wasser mit erhöhtem Druck (Niederdruck bis ca. 16 bar, Hochdruck 75 bar und mehr) direkt in den Luftstrom (Bild 5). Dabei sorgt die modulare Drall­strömung durch die vollflächig über den Kanalquerschnitt angeordneten Verwirbelungselemente nicht nur dafür, dass eine bestmögliche Durchmischung der Aerosole mit der Luft stattfindet. Sie verlängert auch den Weg und damit die Zeit des Aerosols im Luftstrom bis zum Aerosolabscheider deutlich. Dadurch erreichen diese Systeme trotz kompakter Einbaumaße sehr hohe Wasserwirkungsgrade von bis zu > 98 % (Bild 6).

Beste Voraussetzungen für eine dauerhaft einwandfreie Hygiene werden dabei von SPS-gesteuerten Anlagen mit breitbandig exaktem Regelverhalten (+/- 1 % rel. F.) und wählbarem Düsensprühwinkel ermöglicht. Aufgrund ihrer inerten Materialien und minimierten Verlustwassermengen können diese Systeme auf eine Nachverdunstung und Biozidzusätze verzichten. Damit stellen sie im Hinblick auf Hygienesicherheit, Regelbarkeit und Wirtschaftlichkeit (Total Cost of Ownership) ein besonders durchdachtes und zuverlässiges Lösungskonzept dar.

Fazit

Bei Befeuchtungsleistungen im unteren bis mittleren Bereich (bis ca. 40 kg/h) ist meist immer noch die Dampfbefeuchtung aus Kostengründen erste Wahl. Bei höheren Befeuchtungsleistungen stellt die adiabate Befeuchtung häufig eine attraktive technische und wirtschaftliche Alternative im Sinne der Vollkostenrechnung (TCO) dar. Dabei werden auch hygienisch anspruchsvolle Befeuchtungsanforderungen mit entsprechend geeigneten adiabaten Systemen nachweislich zuverlässig erfüllt. Entscheidend für Hygiene und Wirtschaftlichkeit bleibt in der Praxis aber bei allen Varianten auch, dass die gesamte Prozesskette von der Planung über die Auslegung und System­auswahl bis hin zu Installation und Betrieb (inkl. regelmäßiger Wartung) mit Sorgfalt und Fachkompetenz gehandhabt wird. Autor: Hendrik Paulsen, Leitung Vertrieb HygroMatik Deutschland, Österreich und NorditalienBilder: HygroMatik GmbH, Henstedt-Ulzburg

¹) Weitere Informationen hierzu auch unter https://www.hygromatik.com/files/pdf/produkt/de/hps/hds-blutzentrale-linz.pdf