Natürlich kühl
Raumklimatisierung mit adiabater Luftbefeuchtung
Bild: Colt International GmbH, Dennis Driessen
Bei der direkten adiabaten Kühlung (Zuluftbefeuchtung) wird der einströmenden Außenluft Feuchtigkeit zugeführt. Dadurch kühlt sich die Zuluft ab, gleichzeitig steigt die Luftfeuchtigkeit sehr stark an. Die Komponenten: Wirbelerzeuger- und Düsensystem (1), Nachverdunster (2), Agglomerator (3) und Hochdruck-Pumpenstation (4). (Klingenburg GmbH)
Beispiel für die adiabate Luftbefeuchtung: Die Nebelduschen schalten sich bei hohen Temperaturen automatisch an. Dadurch sinkt die Lufttemperatur. (FGK)
Bei der indirekten adiabaten Kühlung der Abluft wird diese so hoch wie möglich befeuchtet und gleichzeitig adiabat gekühlt. Dieses Kältepotenzial kann zur Kühlung der Zuluft genutzt werden. Über einen Wärmeaustauscher wird hierbei nur die sensible Energie auf die Zuluft übertragen, nicht aber die Feuchtigkeit. (Klingenburg GmbH)
Beispiel für die Leistungsfähigkeit einer indirekten Verdunstungskühlung. (Condair GmbH)
Adiabater Hybrid-Luftbefeuchter vom Typ „Condair DL“. Das Befeuchtungswasser wird über Düsen bei Niederdruck zerstäubt (rechts). Die Verdunstereinheit (links) fängt das Befeuchtungswasser auf und erreicht so eine Nachverdunstung. Gleichzeitig verhindert sie Wasseransammlungen in nachfolgenden Bauteilen. (Condair GmbH)
Luftkanalführung in einem Gewerbebau. Die angeschlossenen textilen Lüftungsschläuche dienen der gezielten Einbringung gekühlter Luft. (Colt International GmbH, Dennis Driessen)
Beispiel für den Einsatz eines Verdunstungskühlsystems auf der Abluftseite in einem RLT-Gerät vor einer Kreuzstromwärmerückgewinnung. Im rechten Bereich ist der dazu eingesetzte Verdunster mit der Hydraulikeinheit im Detail dargestellt. (Condair GmbH)
Zu hohe Raumtemperaturen führen nicht nur zu Unbehagen, sie beeinträchtigen auch die Leistungsfähigkeit der Menschen. Mit steigenden Außentemperaturen nimmt daher der Kühlbedarf in Gebäuden zu. In Gebäuden mit Raumlufttechnischen Anlagen kann die Verdunstungskühlung einen erheblichen Beitrag zum energieeffizienten Kühlen leisten.
Die Raumluftkonditionierung rückt insbesondere bei großvolumigen Bauwerken wie Büro- und Verwaltungsgebäuden, Hotels oder Krankenhäusern und Produktionshallen verstärkt in den Fokus. Dabei spielt nicht nur die Raumtemperatur, sondern auch die relative Luftfeuchtigkeit in den Räumen eine entscheidende Rolle für das Wohlbefinden der Nutzer. Ohne ein geregeltes Befeuchtungssystem wird die Raumluftfeuchte an kalten Wintertagen sehr niedrig. Im Sommer wiederum führen Hitze und hohe Luftfeuchtigkeit zu verringerter Leistungsfähigkeit. Dennoch werden nach brancheninternen Schätzungen derzeit maximal 10 % der Klima- und Lüftungsanlagen mit einer Befeuchtungseinheit ausgestattet.
Die Kunst der adiabaten Kühlung
Die adiabate Luft befeuchtung ist eine der Möglichkeiten, um im Winter zu trockener Raumluft entgegenzuwirken. Im Sommer lassen sich mit adiabaten Systemen Räume indes kühlen, indem die Anlagen die fühlbare Wärme durch das Verdunsten von Wasser in latente Wärme umwandeln. Beim direkten adiabatischen Verfahren wird dazu Wasser in die Luft eingebracht, um diese durch Verdunstung zu kühlen. Die gekühlte Luft nimmt dabei Feuchtigkeit auf. Nicht mit Wasser gesättigte Luft kühlt dabei mit jedem Gramm Wasser pro kg trockene Luft um ca. 2,5 °C ab. Wird die abgekühlte, befeuchtete Luft anschließend im Raum verteilt, kann das jedoch dazu führen, dass eine zu hohe Raumluft fechte zu Unbehagen und verringerter Leistungsfähigkeit führt.
Daher ist unbedingt darauf zu achten, dass die Luftfeuchtigkeit innerhalb des Behaglichkeitsbereichs bleibt. Im Allgemeinen wird dieser durch 65 % relativer Feuchte und max. 12 g/kg absoluter Feuchte begrenzt. Höhere Werte führen zu einem unangenehmen Schwüleempfinden. Wird beispielsweise Außenluft für die Zuluftbefeuchtung über einen Befeuchter geleitet, um dort abgekühlt zu werden, sollte bei Raumtemperaturen zwischen 20 und 22 °C die relative Feuchte 65 % nicht übersteigen. Bei Raumtemperaturen bis 26 °C sollte die relative Feuchte nicht über 55 % liegen.
Das Umgebungs- oder Außenklima wirkt sich also direkt auf die Nutzbarkeit der adiabaten Kühlung aus. Je wärmer und trockener es ist, desto höher ist die Leistung eines direkten adiabaten Kühlsystems. Hohe Temperaturen und niedrige Luft feuchtigkeit ermöglichen also eine hohe Kühlleistung. In Mitteleuropa sind die Außenluft zustände nicht immer günstig für die direkte adiabate Kühlung. An heißen, feuchten Sommertagen stößt die Raumluft konditionierung über direkte Zuluft befeuchtung oft mals schnell an ihre Grenzen. Nicht umsonst werden diese Systeme umgangssprachlich auch als „Desert Cooler“ bezeichnet. Die Mauren nutzten dies in ihren Bauwerken.
Allerdings besteht die Möglichkeit, bei höherer Luftfeuchtigkeit die Zuluft vor dem Eintritt in den Befeuchter aktiv zu trocknen. Bei dem als DEC (desiccand evaporative cooling) bekannten Verfahren der Trocknung und anschließender Befeuchtung des Luftstroms entfeuchten auf einer Matrixstruktur aufgebrachte hygroskopische Medien wie Zeolithe, Salze und Silikate den in der Luft enthaltenen Wasserdampf und speichern diesen. Die durch diese Entfeuchtung erwärmte Luft (Kondensationswärme) muss anschließend wieder gekühlt werden (das geschieht über eine Wärmerückgewinnung aus der Abluft nach einer Verdunstungskühlung in der Abluft – indirekte Verdunstungskühlung), bevor sie adiabat bis zur gewünschten Zulufttemperatur unter Einhaltung der Grenzfeuchten für die thermische Behaglichkeit befeuchtet wird. Die hierfür eingesetzten Trocknungsmedien lassen sich durch Aufheizen der Sorptionskörper wieder regenerieren und werden im Kreisprozess gehalten.
Bei der indirekten adiabatischen Kühlung wird Wasser im Abluftstrom verdunstet und kühlt dadurch ab.
Ein Wärmeübertrager überträgt die dann Wärme der Zuluft auf den befeuchteten Abluftstrom – der Abluftstrom wird wärmer, der Zuluftstrom kühlt ab. Der befeuchtete, warme Fortluftstrom wiederum wird nach dem Wärmeübertrager wieder fortgeführt oder für die oben genannte Regeneration genutzt, ohne in den zu kühlenden Raum zu gelangen. Da speziell für die Anforderungen der indirekten Abluftkühlung konzipierte Verdunstungskühler für eine gleichmäßige Wasserverteilung im separaten Abluftstrom sorgen, lässt sich mit diesem Verfahren eine konstante und homogene Kühlwirkung sicherstellen.
Das A und O der adiabaten Kühlung
Adiabate Systeme unterscheiden sich jedoch nicht nur in der Form des Verdunstungsprinzips, sondern auch hinsichtlich ihres erreichbaren Befeuchtungswirkungsgrads, der erforderlichen Wasserqualität und der Frage, ob Biozidzusätze zur Sicherstellung der Hygiene notwendig sind. Spezifische Anforderungen und Empfehlungen für raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen) sind in der VDI-Richtlinie 60221) festgelegt. Ziel dieser Richtlinie ist die Gewährleistung gesundheitlich unbedenklicher Zuluft in Gebäuden. Entscheidende Faktoren für den wirtschaftlichen Betrieb adiabater Befeuchtungssysteme sind somit die sorgfältige Planung der gesamten Prozesskette und die gezielte Auswahl anforderungsgerechter Komponenten und Systeme.
Zuluftbefeuchtung durch Nieder- und Hochdrucksysteme
Im Bereich der adiabaten Zuluftbefeuchtung arbeiten frischwassergespeiste Hybride, Nieder- und Hochdrucksysteme sehr verlässlich und werden allen hygienischen Anforderungen gerecht. Ob ein Hybrides, Niederdruck- oder ein Hochdrucksystem zum Einsatz kommt, richtet sich nach den spezifischen Projektanforderungen und den Einbauverhältnissen.
So wird Luft bei Niederdrucksystemen mit einem Druck von 6 bis zu 16 bar gleichmäßig über die Fläche des Befeuchters geführt. Hochdrucksysteme arbeiten indessen mit Drücken von 75 bar und mehr, um eine ausgeglichene und homogene Luftbefeuchtung zu gewährleisten. Hybride Systeme arbeiten mit niederem Druck ab 4 bar und haben zusätzlich eine Nachverdunstungseinheit. Konstruktive und strömungstechnische Effekte sorgen für eine vollständige Durchmischung der Wasseraerosole und vollständige Verdunstung, sodass kein „flüssiges“ Wasser in die Luftverteilung getragen werden kann. Trotz der kompakten Bauweise dieser Befeuchtersysteme erreichen derartige Systeme Befeuchtungswirkungsgrade von über 98 %.
Temperaturabsenkung durch Hochleistungswärmerückgewinner und Befeuchter
Bei der Abluftbefeuchtung mit Wärmerückgewinnung (WRG) wird hingegen zunächst Abluft befeuchtet und dadurch abgekühlt. Je nach eingesetztem Befeuchtertyp lassen sich damit relative Feuchten von bis zu 100 % erreichen. Die abgekühlte und befeuchtete Abluft wird dann über ein WRG-System geleitet, wodurch der Abluftstrom von der Zuluft erwärmt wird und gleichzeitig der Zuluftstrom abgekühlt wird. Bei der Auswahl der WRG-Systeme ist es wichtig darauf zu achten, ausschließlich Systeme mit geringster Leckage und ohne Feuchteübertragung einzusetzen, z. B. Plattenwärmeübertrager oder Kreislauf- Verbund-Systeme (KVS). Wenn die Zuluftfeuchte durch Leckagen oder den unkontrollierten Austausch von Feuchtigkeit aus der Abluft ansteigt, wird damit die Effizienz des Systems beeinträchtigt.
KVS erlauben die räumliche Trennung von Zu- und Abluftwegen und lassen sich auch in bestehenden Klima- und Lüftungsanlagen einfacher nachrüsten. Der Einsatz von Hochleistungswärmeübertragern und Zu- und Abluftbefeuchtern kann eine Abkühlung der Außenluft um 10 bis 12 K ermöglichen. Wird die adiabate Kühlung mit Plattenwärmeübertragern kombiniert, ist eine räumliche Nähe zwischen Zu- und Abluft erforderlich.
Befeuchtung im Gegenstromprinzip
Werden Doppelplatten- oder Gegenstromwärmeübertrager mit integrierter Abluftbefeuchtung eingesetzt, erfolgt Kühlung und Wärmeübertragung zeitgleich in einem Bauteil. Die Abluft wird in diesem Fall durch das direkte Einspritzen von Wasser übersättigt, was unter optimalen Bedingungen zu einer Leistungssteigerung von etwa 40 % in Vergleich zum getrennten Prozess führen kann und die Zuluft um bis zu 12 K abkühlt.
Raumklima im Gleichgewicht
Moderne adiabate Systeme zur Kühlung und Luftbefeuchtung ermöglichen somit die Raumklimatisierung durch Verdunstungskälte. Für eine optimale Leistung ist jedoch die gezielte Anpassung an die spezifischen Betriebsbedingungen und die charakteristischen Anforderungen des zu kühlenden Raumes vorzunehmen. Darüber hinaus gilt es die vorherrschenden klimatischen Bedingungen zu berücksichtigen. Schließlich werden Effizienz und Leistung dieser Systeme stark von Faktoren wie Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit und korrekter Installation beeinflusst.
Autorin: Carola Tesche, freie Journalistin
1) VDI 6022: Raumlufttechnik, Raumluftqualität - Hygieneanforderungen an raumlufttechnische Anlagen und Geräte
