Luftentfeuchtung durch Absorption: Komplettsysteme bewähren sich in der Praxis

Im Allgemeinen empfindet der Mensch Lufttemperaturen zwischen 21 und 26°C bei einem absoluten Feuchtegehalt von 6 bis 12 g/kg als angenehm. Dementsprechend muss bei der technischen Konditionierung der Luft auch die Feuchte reguliert werden. In konventionellen Klimageräten werden hierzu Wärmeübertrager eingesetzt, mit deren Hilfe die Luft unter die Taupunkttemperatur abgekühlt wird. Die notwendige Kälte wird in der Regel von elektrisch angetriebenen Kompressionskältemaschinen erzeugt, was wiederum mit einem entsprechend hohen Stromverbrauch verbunden ist. Neben hohen Energiekosten schlägt dieser auch in der Energiebilanz des Gebäudes negativ zu Buche.

Thermisch angetriebene Klimatisierung
Eine Alternative stellen sorptionsgestützte Klimageräte dar. Mit dem Ziel einer möglichst hohen Gesamteffizienz hat Menerga hier eine Systemlösung für die ganzjährige Komfortklimatisierung – Kühlen und Entfeuchten – auf Basis regenerativer Energien entwickelt. Im Zentrum der Sorpsolair-Anlage steht dabei die Kombination von sorptionsgestützter Entfeuchtung und „adiabater“ Verdunstungskühlung.
Bei Überschreitung der Schwülegrenze im Sommer wird die Luft im Absorber des Klimagerätes an der Oberfläche eines Rieselfilms aus konzentrierter Salzlösung getrocknet. Dabei nimmt die hygroskopisch wirkende Lösung die Feuchte aus der Luft auf. Im Laufe des Entfeuchtungsprozesses wird die Lösung immer wässriger und die Sorptionskapazität nimmt ab. Deshalb muss die Flüssigkeit bei Bedarf in einem Kreislaufprozess ausgetauscht und regeneriert werden.
Die Regeneration der hier verwendeten Lithiumchlorid-Lösung erfolgt im Desorber. Durch Erwärmung wird dabei die Feuchtigkeit wieder ausgetrieben und die aufkonzentrierte Lösung kann als Rieselfilm erneut Feuchte aufnehmen. Für den Desorptionsvorgang ist Niedertemperaturwärme von 55 bis 75°C ausreichend. Damit lassen sich Wärmequellen wie Solarthermie, Fernwärme oder auch KWK-Anlagen nutzen.
Dem Sorptionsprozess nachgeschaltet ist die „adiabate“ Verdunstungskühlung. Hierbei wird die entfeuchtete Außenluft über einen Plattenwärmeübertrager geführt, in dessen Abluft-/Fortluftweg Wasser fein vernebelt wird. Die Wärmeenergie, die das Wasser zur Verdunstung benötigt, wird der Außenluft entzogen und kühlt sie um bis zu 10 Kelvin ab.

Effiziente Komplettsysteme mit breitem Leistungsspektrum
Auf diese Weise lässt sich mit der Kombination aus sorptionsgestützter Entfeuchtung und „adiabater“ Kühlung die Luft auch im Hochsommer auf das Behaglichkeitsniveau konditionieren. Dabei ist der Stromverbrauch wesentlich geringer als bei konventionellen Klimageräten. Der Anteil der benötigten elektrischen Energie beschränkt sich auf die Stromaufnahme der Ventilatoren und Nebenaggregate. In Verbindung mit der effizienten Wärmerückgewinnung – im Winterbetrieb sorgt der Plattenwärmeübertrager für Wärmerückgewinnungsgrade von über 70% – sind auf den ganzjährigen Betrieb gesehen gegenüber konventioneller Anlagentechnik Primärenergieeinsparungen von bis zu 50% möglich.
Mit den modular aufgebauten Sorpsolair-Komplettsystemen lässt sich ein breites Leistungsspektrum abdecken. Die Kühlleistungen reichen von 20 kW bis 104 kW und die Entfeuchtungsleistungen liegen zwischen 12,8 bis 65,7 kg/h. Ein wesentliches Einsatzkriterium ist der verfügbare Platz, da die Geräte durch die Integration aller Komponenten Längen von 6 bis über 8 m erreichen. Grundsätzlich konfiguriert der Mühlheimer Klimatechnikhersteller die Anlagen nach individuellem Bedarf. Wie die folgenden Beispiele zeigen ergibt sich hieraus ein vielschichtiges Anwendungsspektrum.
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Frachtkantine Flughafen München – Desorption über Solarthermie
Im Rahmen eines Innovationsprojektes setzten die Betreiber des Münchener Flughafens gezielt Energiekonzepte um, die im Sinne der Klimaschutzziele nachhaltig sind und das CO₂-Aufkommen reduzieren. Im Zuge dessen wurde auch die solare Klimatisierung der Frachtkantine mit einem Luftvolumenstrom von 10.000 m³/h realisiert. Ein erster Lösungsansatz sah eine Absorptionskältemaschine vor, deren thermische Energie ein etwa 250m² großes Solar-Röhrenkollektorfeld liefern sollte. Zur Kühlung und Entfeuchtung der Außenluft war ein Pumpen-Kaltwasser-Entfeuchtungskühler geplant.
Die alternativ umgesetzte sorptionsgestützte Klimatisierung benötigt bei gleicher Kühlleistung und unter Verwendung von Flachkollektoren lediglich eine Kollektorfläche von 75 m². Der auf den Sommerbetrieb bezogene Auslegungspunkt des Sorpsolair-Komplettsystems liegt bei einer Außenlufttemperatur von 32°C und einer absoluten Luftfeuchte von etwa 12g/kg_L,tr. Der Außenluftvolumenstrom wird hier um 4g/kg_L,tr entfeuchtet.
Im Winterbetrieb wird die Kantinenzuluft über ein Heizregister erwärmt. Durch die Kombination mit der Wärmerückgewinnung aus der Abluft werden dabei nur geringe Vorlauftemperaturen von höchs­tens 45°C benötigt. Dementsprechend kann hierfür auch der im Winter erzielte thermische Ertrag der Flachkollektoren genutzt werden. Zudem wird überschüssige Solarwärme ganzjährig zur Vorerwärmung des Warmwassers für die Kantinenküche verwendet.
Aufgrund der hydraulischen Verschaltung ist ein partieller Stillstand im Kollektorfeld nahezu ausgeschlossen. Zur Sicherstellung des ganztägigen Betriebes ist weiterhin ein kleiner Wasser/Luft-Wärmeübertrager für die gezielte Wärmeabfuhr integriert. Bei hoher Sonneneinstrahlung und gleichzeitig niedriger Abnahme kühlt dieser kurzzeitig den Solarkreis. Bemerkenswert ist der in diesem Projekt erzielte relativ hohe Kollektorertrag von über
400 kWh/(m² a).

Hohe Effizienz senkt Betriebskosten
Im Vergleich zum ursprünglich vorgesehenen Einsatz einer Absorptionskältemaschine stellen sich bei der sorptionsgestützten Klimatisierung in Verbindung mit dem hohen Nutzungsgrad der Sonnen­energie geringere Betriebskosten ein. Deutlich wird dies bei der Betrachtung der thermischen Leistungszahl, die das Verhältnis von erzeugter Nutzkälte zu aufgewandter Wärmeenergie beschreibt. Für eine konventionelle Absorbermaschine wurde unter Berücksichtigung der niedrigen VL-Temperaturen hier ein Wert von etwa 0,7 ermittelt. Im Vergleich dazu erzielt die Sorpsolair-Anlage einen COP_th von etwa 1,2 (gemessener Durchschnittswert im Sommer 2009). Dabei sind die Kosten für die Verdunstungskühlung relativ gering. Selbst an heißen Sommertagen werden hierzu höchstens etwa 150 l Wasser pro Stunde benötigt.

Universitätsklinikum Freiburg – Kontinuierliche Desorption über Fernwärme
In einer Langzeitstudie hat das Fraunhofer ISE ein Sorpsolair Klimagerät im Ambulanzbereich des Universitätsklinikums Freiburg über einen Zeitraum von drei Jahren evaluiert. Der zu konditionierende Luftvolumenstrom lag im Mittel bei etwas über 6000 m³/h. Die Antriebs­energie für den Sorptionsprozess liefert das Wärmeverbundnetz der Uniklinik. Aufgrund dieser permanent verfügbaren Niedertemperaturwärme von 80°C wird die Salzlösung hier kontinuierlich regeneriert.
Dabei wird die Sole zwischen Absorber und Desorber ausgetauscht und der Entfeuchtungs- sowie der Regenerationsbetrieb laufen gleichzeitig. Um hier die Gesamteffizienz der Anlage zu erhöhen, wurde im Austauschkreis ein Sole-Sole-Wärmeübertrager integriert. Dort nimmt die wässrige, kühle Salzlösung aus dem Absorber die Wärme der vom Desorber kommenden regenerierten Sole auf und wird so für den Desorptionsprozess vorgeheizt. Gleichzeitig wird die regenerierte Sole vor dem Eintritt in den Absorber abgekühlt und kann so direkt wieder zur Entfeuchtung genutzt werden.
Im Rahmen der Untersuchung wurden für die einzelnen Betriebsjahre der tatsächliche Ressourcenverbrauch sowie die Heiz- und Kühl­energie bilanziert. Energetisch positiv erwies sich hierbei, dass ein Großteil der benötigten Wärme über die Wärmerückgewinnung des Klimagerätes gedeckt wurde. Der Wasserverbrauch für die „adiabate“ Verdunstungskühlung lag im Mittel der drei Jahre bei rund 106 m³ pro Jahr.
Grundsätzlich sind bei der Planung eines sorptionsgestützten Klimagerätes die Spitzenleis­tungen für die Dimensionierung des Elektro- und Wärmeanschlusses entscheidend. Bei dem in Freiburg eingesetzten Gerät liegt der Spitzenwert der elektrischen Aufnahmeleistung im Sorptionsbetrieb in einem typischen Sommer bei 2 kW. Die elektrische Anschlussleistung aller Komponenten beträgt etwa 3,7 kW. Unter gleichen Bedingungen hätte eine konventionelle Kälteanlage eine maximale elektrische Leistungsaufnahme von 13 kW ge­habt. Die maximale thermische Nachheizleistung des Sorpsolair-Gerätes betrug im Winter 60,2 kW. Auch dieser Wert liegt erheblich unter dem eines konventionellen Klimagerätes (WRG 55%) mit 193kW. Maßgebend für diesen großen Unterschied ist der deutlich höhere Wärmerückgewinnungsgrad des sorptionsgestützten Klimagerätes.
Die Langzeituntersuchung des Fraunhofer ISE belegte die hohe Energieeffizienz des Anlagenkonzeptes. Für die Kühlung im Sommer konnte hier der Spitzenwert der Stromleistungsaufnahme gegenüber einer konventionellen Kälteanlage um nahezu 75% von 13 kW auf 3 kW gesenkt werden. Ausschlaggebend dafür war die hohe thermische Jahresarbeitszahl COP_th von 1,5 im Sorptionsbetrieb bei einer mittleren Regeneratorleistung von 1,18 kW_th pro kg/h Entfeuchtungsleistung. Der spezifische Stromaufwand für den Sorptionsteil erforderte lediglich 0,05 kW pro kWh Nutzkälte. Darüber hinaus konnte aufgrund des hohen Wärmerückgewinnungsgrades von 87,2% der maximale Wärmebedarf im Winter um 70% gegenüber konventioneller Technik reduziert werden. Im direkten Vergleich lag die ermittelte Primärenergieeinsparung so insgesamt zwischen 40 und über 50%.

Felsland Badeparadies Dahn – Schwimmhallen-Entfeuchtung
Wie die Luftentfeuchtung mittels Sorption die Gesamtenergieeffizienz eines Schwimmbades erhöht, zeigt ein Pilotprojekt in Dahn. Im Felsland Bade­paradies wurde die Lüftungsanlage für den Schwimmhallenbereich erneuert, da die zuvor installierte Anlage weder den Heizbetrieb noch die Luftkonditionierung sicher gewährleisten konnte. Planer und Betreiber entschieden sich hier für den Einsatz eines modifizierten ThermoCond-Klimagerätes. Anstelle der sonst üblichen Entfeuchtung über eine Wärmepumpe wurden hier die für die Sorption benötigten Komponenten integriert.
Die nötige Regenerationswärme liefern drei BHKWs, die schon zum Schwimmbadkomplex gehörten. Ihre Gesamtleis­tung beträgt 450 kW_el und 621 kW_th. Der hier erzeugte Strom dient dem Eigenverbrauch sowie der Refinanzierung der Betriebskosten durch den Verkauf der überschüssigen Stromproduktion. Für die bestmögliche Auslastung der stromgeführten BHKWs sollte möglichst viel Wärme im Badeparadies genutzt werden. Dementsprechend bot sich hier die Kombination mit der thermisch angetriebenen Sorptionsentfeuchtung an. Da die Abwärme der ­BHKWs jederzeit zur Verfügung steht, kann der Regenerationsprozess der Salzlösung in einem kontinuierlichen Kreislauf erfolgen. Zusätzliche Sole-Vorratsbehälter werden nicht benötigt.
Mithilfe des modifizierten Klimagerätes wurde die sorptionsgestützte Entfeuchtung erstmals in einem Hallenbad eingesetzt. Die Pilotanlage wurde 2008 eingebaut und ist auf einen Luftvolumenstrom von 32.000  m³/h ausgelegt. Beim Absorptionsprozess wird die Temperatur der Salzlösung über die Sorptionswärme erhöht. Diese wird über einen Wärme­übertrager mit einer Leistung von 110 kW ausgekoppelt und an das Freibadwasser abgeführt. Gleichzeitig konnte so die Entfeuchtungsleistung auf 125 kg/h erhöht werden. Insgesamt führt dieses Anlagenkonzept zu einer Reihe von Vorteilen für den Betreiber. Zu nennen sind hier die Nutzungsverlängerung des Außenbeckens, die ganzjährig sichergestellte, optimale Luftkonditionierung sowie die geringeren Betriebskos­ten und höheren BHKW-Laufzeiten.

Autor: Christof Bednarski, Produktmanagement Luft- und Klimatechnik, Menerga GmbH

Bilder: Menerga, Mühlheim

www.menerga.com