Flüssigsorption mit Membrankühldecke

Das ist scha­de, wenn man bedenkt, dass für die kondensatfreie Luft­ent­feuch­tung mit hygros­ko­pischen Sorp­tions­mitteln die regenerativ zur Verfügung stehende, solar­thermische Energie einge­setzt werden kann und gegenüber der Luftentfeuchtung durch Tau­punktunterschreitung erheb­liche energetische Vorteile entstehen.

Vor allem sind es jedoch die hygienischen Anforderungen, die der Leistung und den Einsatzbedingungen dezentraler und stiller Systeme zur Raumklimatisierung erhebliche Grenzen setzten.

Leistungs- und Einsatz­gren­zen im Zusammenhang mit der Tau­punkt­unter­schreitung

Beispiel Kühldecke: Um Tauwasserbildung und in der Folge Bauteilschädigungen zu verhindern, müssen Kühldecken grundsätzlich kondensatfrei betrieben werden. Dazu wird die Kaltwassertemperatur auf wenigstens 16 °C begrenzt und kann in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt der Außen- oder Raumluft geregelt werden. Unter diesen Voraussetzungen liegt die spezifische Kühlleistung unter Norm-Prüfbedingungen (26 °C, 50 % r. F.) maximal bei 75 bis 100 W/m²_Kühldecke. Jedoch stehen ihr üblicherweise Gesamtkühllasten von bis zu 120 W/m²_Fußboden gegen­über. Besonders kritisch ist die Leistungsdrosselung durch Temperaturanhebung in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt der Außenluft bei schwülwarmer Witterung, denn um Kondensation bei erhöhten Feuchtelasten sicher auszuschließen, bedarf es der Reduzierung der Kühlleistung auf ein Minimum. Eine Kombination aus Kühldecke und freier Lüftung ist damit nur zu Lasten der thermischen Behaglichkeit möglich. Die Alternative – eine Kom­bination aus Kühldecke und separatem System zur Außenluft­auf­bereitung – sorgt zwar idealerweise für die thermische Behaglichkeit, verbucht jedoch einen erheblichen anlagentechnischen und folglich finanziellen Mehraufwand.

In dezentralen Klimageräten ist eine Taupunktunterschreitung zwar nicht ungewollt, sorgt aber für einen erheblichen technischen Aufwand zur Kondensatabfuhr und signifikant höhere Reinigungs- und Wartungsaufwendungen, um den hohen hygienischen An­for­derungen Rechnung tragen zu können.

Indirekte Sorption am Beispiel Kühldecke

Mit den Fragen, wie eine technische Umsetzung der sorptions­ge­stützten Klimatisierung für dezentrale und stille Systeme zur Raumklimatisierung aussehen kann, und vor allem, welche tech­ni­schen Möglichkeiten und Grenzen daraus erwachsen können, beschäftigt sich das Institut für Luft- und Kältetechnik in Dresden schon seit einigen Jahren. Im Fokus steht dabei der Flüssig­sorp­tions­prozess über semipermeable Membranen – die sogenannte „indirekte Flüssigsorption“. Gerade für die Kühldeckenanwendung ist eine kondensatfreie Luftentfeuchtung besonders attraktiv. Wird über die Oberfläche Wasserdampf aus der Luft absorbiert, sinkt die relative Feuchte der Luft an der Grenzschicht und die Taupunkttemperatur sinkt. Niedrigere Oberflächentemperaturen und folglich höhere Kühlleistungen sind realisierbar. Die nachfolgenden Ausführungen sollen am Beispiel „Kühldecke mit sorptiver Luftentfeuchtung“ sowohl einen Einblick in die konstruktive Entwicklung von Membranelementen geben (Bild 1), als auch Er­geb­nisse umfangreicher messtechnischer Analysen zu Leistung, Leis­tungsgrenzen, Betriebsverhalten und worst-case-Szenarien (auszugsweise) darstellen.

Für den physikalischen Prozess bedarf es zunächst eines hy­gros­kopischen temperierbaren Sorptionsmittels, welches durch eine wasserdampfdurchlässige Membran als Wärme- und Stoff­über­tragende, aber wasserdichte Schicht von der Raumluft getrennt ist. Nimmt das Sorptionsmittel Wasserdampf aus der Luft auf, verdünnt es sich. Sorptionswärme (zusammengesetzt aus Konden­sations- und Bindungswärme) wird freigesetzt und muss kompensiert werden, ohne die Oberflächentemperatur weit ansteigen zu lassen. Regelungstechnisch ist dafür eine pro­zess­interne Kühlung mit Kaltwasser einem Sorptionsmittel- Über­schussmassenstrom vorzuziehen. Im Idealfall dient das Sorptionsmittel ausschließlich zur Aufnahme des Wasserdampfes aus der Luft, während das Kaltwasser sowohl Sorptionswärme (latente Wärme) als auch raumseitig auftretende, sensible Kühllasten kompensiert. Um eine optimale Regelbarkeit und geringe Trägheit des Systems zu erreichen, muss es innerhalb der Membrankühldecke zu einer signifikanten Verdünnung des Sorptionsmittels durch den Wasserdampf aus der Luft kommen. Das ist nur mit sehr kleinen Sorptionsmittel-Volumenströmen und kleinsten Füllvolumina möglich.

Für die konstruktive Gestaltung des Membran-Kühldecken­elements gelten zusammengefasst folgende Anforderungen:

Strömungstechnische Analysen

Als besondere konstruktive Herausforderung gilt die gleichmäßige Verteilung eines kleinstmöglichen (Sorptionsmittel-)Volumenstroms auf eine möglichst große aktive Membranfläche mit geringstem Strömungswiderstand und einfachster Anschlussgestaltung. Aus diesem Grund wurden verschiedenartige, überwiegend poröse (potentielle) Membranträgermaterialien jeweils unter Variation der Anschlussgestaltung experimentell auf Strömungswiderstand und Strömungsverteilung analysiert. Vorteilhaft ist, dass sich eine Vielzahl der untersuchten porösen Strukturen (beispielsweise auf textiler Basis) kosteneffi­zient herstellen und verarbeiten lässt. Fertigungsverfahren für Schichtdicken kleiner 1 mm bei Porositäten > 85 % sind Stand der Technik. Damit sind aktive Membranflächenanteile von bis zu 83 % bei Füllvolumen < 0,4 l/m²_{Membrankühldecke} realisierbar. Dennoch sind bei der Durchströmung poröser Strukturen vergleichsweise hohe Strömungswiderstände zu überwinden. Als entscheidend für die gleichmäßige Durchströmung poröser Materialien hat sich die Art der Anschlussgestaltung herausgestellt. Eine spaltartige Anströmung führt zu einer gleichmäßigen Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung und bedarf keiner aufwendigen Fertigung von Verteilerstrukturen. Im Gegensatz dazu entstehen bei lokaler Anordnung von n ≥ 1 Ein- und Ausströmöffnungen strömungsarme und strömungsreiche Zonen. Unab­hän­gig vom Volumenstrom erwär­men sich im Kühlfall die strömungsarmen Zonen mehr als die strömungsrei­chen. Die Temperatur­ver­teilung auf der Oberfläche ist inhomogen. Hinzu kommt, dass unmittelbar nach einer lokalen Einströmung in die poröse Matrix der zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt sehr klein, die lokale Geschwindigkeit dadurch jedoch sehr groß ist. Daraus resultiert bereits am lokalen Eintritt in den porösen Membranträger ein unnötig großer Druckabfall. Bei steigender Anzahl gleichmäßig verteilter lokaler Ein- bzw. Austrittsöffnungen verbessert sich die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung im Membranelement. Das bestmögliche Ergebnis entsteht für n ➝ ∞ lokale Ein- bzw. Austrittsöffnungen, was einer spaltartigen Anströmung gleichkommt (Bild 2).

Membrankühldecke – Prototypen, Leistung und Betriebsverhalten

Die Ergebnisse der strömungstechnischen Analysen sowie der Untersuchungen zur Findung geeigneter Membranen (Permeations- und Bersttests) und Verarbeitungsverfahren (Stabilität der Verbindung) bildeten die Grundlage zum Bau zweier Membran-Kühldeckenelemente als Prototypen (à 625 x 625 mm) und eines Versuchsstandes für deren messtechnische Erprobung (Bild 3).

Für den Betrieb gilt: Eine ho­mo­gene Temperaturverteilung über die gesamte Membrankühldecke wird am ehesten erreicht, wenn das Sorptionsmittel (40 %-ige wässrige LiCl-Lösung) vortemperiert in das Membran­element einströmt und vom Kalt­was­ser der Temperierebene (Ge­gen­strom) auf konstantem Tem­pe­ra­tur­niveau gehalten wird. Unter diesen Umständen dient das Sorptionsmittel aus­schließ­lich der Aufnahme des Wasserdampfes, während es die Sorptionswärme und die sen­sible Wärme der Kühllasten ans Kaltwasser weitergibt. Kühl- und Entfeuchtungsleistung lassen sich getrennt voneinander über das Temperaturniveau (Vor­temperierung und interne Pro­zess­kühlung) und die Mas­sen­kon­zentration des Sorp­tions­mittels regeln.

Während bei konventionellen Kühldecken unter normierten Prüf­bedingungen (26 °C und 50 % r. F.) im Prüfraum des Ver­suchs­stands bereits bei Ober­flächen­temperaturen von 15,1 °C der Taupunkt unterschritten wird, bleiben die Prototypen der Membrankühldecke bis zu einem Sorptionsmittel-Temperaturniveau von 12 °C (das entspricht Oberflächentemperaturen von 12,8 °C bzw. 13,7 °C) kondensatfrei. Sie wurden dafür jeweils mit 1,5 l/h 40 %-iger, konstant temperierter LiCl-Lösung und 40 l/h Kaltwasser von 7 bis 8 °C bei 1 bis 2 K Spreizung beaufschlagt. Die gemessene relative Luftfeuchte an der Oberfläche der Membrankühldecke liegt trotz Oberflächentemperaturen unterhalb der Taupunkttemperatur der Raumluft zwischen 59 und 69 %. Die Möglichkeit der sorptiven (kondensatfreien) Luftentfeuchtung an Kühldecken­flächen sorgt dafür, dass spezifi­sche Kühlleistungen von 144 bis 155 W/m²_{Membrankühldecke} (sensibel) und unter Berücksichtigung der Entfeuchtungsleistung von 80 bis 110 g/(hm²) Gesamtkühl­leis­tungen von über 200 W/m²_{Membrankühldecke} realisierbar sind. Diese erhebliche Leistungssteigerung ist nur möglich, weil für die Membrankühldecke nicht die Einschränkung der Ober­flä­chentemperaturen größer 16 °C als technische Grenze zur Kondensatvermeidung gilt. Das thermische Verhalten der Membrankühldecken-Prototypen hinsichtlich Wärmeübergang und Strahlungsaustausch ist vergleichbar mit geschlossenen Kühldecken, z. B. eingeputzten Kapillarrohrmatten (Bild 5).

Die thermische Behaglichkeit wird trotz niedrigerer Kühl­decken-Oberflächentemperaturen nach­weislich nicht negativ beeinflusst. Wenngleich ein na­he­zu linearer Zusammenhang zwischen dem Temperaturgradien­ten zwischen Raum und Kühl­decken­oberfläche und der Luft­ge­schwin­digkeit aufgezeichnet werden konnte, lagen die Messwerte der Luftgeschwindigkeit immer unterhalb von 0,05 m/s im Prüfraum bzw. 0,15 m/s an der Kühldeckenoberfläche. Eine negative Beeinflussung der thermischen Behaglichkeit durch Kaltluftabfall oder etwaige Zugerscheinungen ist damit ausgeschlossen. Unabhängig davon liegt der Prozentsatz unzufriedener Personen durch Strahlungsasymmetrie bei kalter Decke unter 5 %, solange deren Wert 13 K nicht übersteigt – die Oberflächentemperatur bei 26 °C Raumtemperatur also nicht unter 13 °C liegt.

Freie Lüftung und Worst-Case-Szenarien

Die Möglichkeit zur Feuchtelastkompensation macht eine Kombination aus Membran-Kühldecken und freier Lüftung besonders interessant. Um genau diese Be­triebssituationen für ungünstige (schwülwarme) Witterungsbedingungen zu testen, wurde in mehreren Testreihen eine Fensteröffnung im Probenraum des Versuchsstandes simuliert. Dazu wurde der Feuchtegehalt der isotherm und impulsarm in den Prüfraum eingebrachten Zuluft plötzlich auf 20 g/kg erhöht, ohne die übrigen Ein­stel­lungen zu verändern. Das Schließen des Fensters wurde simuliert durch das Abschalten der Be­feuch­tung in der Zuluft für den Prüfraum. Das Ergebnis bei einem Sorp­tions­mittel-Temperaturniveau von 16 °C (Oberflächentemperatur etwa 17,5 °C) und normierten Prüfraumbedingungen (26 °C, 50 % r.F.) zeigt Bild 6:

Die feuchte Zuluft mischt sich mit der Raumluft. Der Feuchtegehalt im Raum steigt an und erreicht im Maximum reichlich 17 g/kg. Auch an der Oberfläche der Membrankühldecke, über die permanent Wasserdampf abtransportiert wird, steigt der Feuchtegehalt – jedoch „nur“ von ursprünglich 6 auf maximal 9 g/kg. Mit steigendem Feuchtegehalt der Luft erhöht sich auch der Wasserdampf-Partialdruck der Luft. Die Wasserdampf-Partial­druckdifferenz zwischen Luft und Sorptionsmittel als wirkende Triebkraft für die sorptive Entfeuchtung steigt ebenfalls. In der Folge absorbiert das Sorptionsmittel mehr Wasserdampf und es wird gegenüber dem Ausgangszustand mehr Sorptionswärme freigesetzt. Das führt zum Anstieg der Sorptionsmittel – nachfol­gend aber auch der Oberflächentemperatur. Die Gefahr der Tau­punkt­unterschreitung und die sensible Kühlleistung sinken bei gleichzeitig steigender Entfeuchtungsleistung – genau zum richtigen Zeitpunkt kurzfristig erhöhter Feuchtelasten. Spätestens eine Stunde nach dem Schließen des Fensters ist der Ausgangszustand wieder erreicht. Treten signifikant erhöhte Feuchtelasten (wie im Fall der Fensterlüftung) nur zeitlich befristet auf, besteht keine Gefahr der Kondensation.

Problematische Situationen entstehen, wenn trotz erforderlicher Feuchtelastkompensation die Treibkraft für den erforderlichen sorptiven Entfeuchtunsgprozess nicht mehr ausreicht oder gegen null läuft. Derartige Worst-Case-Szenarien entstehen beispiels­wei­se bei plötzlichem Stillstand des Sorptionsmittels (bei gleichzeitig wasserseitigen Temperaturen unterhalb der Taupunkt­temperatur der Raumluft) oder durch eine Abkühlung der Kühldecken­ober­fläche um mehr als 5 K unter die Taupunkttem­peratur der Raumluft (z. B. durch langfristig stark erhöhte Feuchtelasten). Diese Szenarien wurden gezielt messtechnisch überwacht, um technische und physikalische (Leistungs-)Grenzen des Flüssig­sorp­tionsprozesses in einer Membrankühldecke ermitteln und gezielt Gegenmaßnahmen erarbeiten zu können. So lassen sich die Auswirkungen der Worst-Case-Situationen in Form sich bil­denden Kondensats regelungstechnisch ausschließen. Ein Strö­mungs­wächter in der Sorptionsebene könnte beispielsweise im Ernstfall ein Anheben der Kaltwassertemperatur auslösen, um bei plötzlichem Solestillstand die Oberflächentemperaturen oberhalb der Taupunkttemperaturen zu halten. In gleicher Weise ist eine Regelung des Sorptionsmittel-Temperaturniveaus in Abhängigkeit von der Taupunkttemperatur der Raumluft denkbar – im Vergleich zur Kondensatvermeidung in konventionellen Kühldecken jedoch mit einem größeren Spielraum.

Fazit

Am Beispiel Membrankühldecke mit sorptiver Luftentfeuchtung wird deutlich, dass die mit dem indirekten Sorptionsprozess einhergehenden neuen technischen Möglichkeiten richtungsweisend für dessen Anwendung in dezentralen Klimageräten sind:

Eine hohe thermische Behaglichkeit lässt sich ohne Leis­tungs­drosselung kondensatfrei und hygienisch unbedenklich mit Luftentfeuchtung verbinden – im Fall Kühldecke zudem mit freier Lüftung und hoher Leistungsdichte. Die Nutzbarkeit regenerativer Energiequellen zur Regeneration des Sorptionsmittels ermöglicht zudem eine energieeffiziente Luftentfeuchtung für dezentrale und stille Systeme zur Raumklimatisierung.

Um die Anwendung des Prozesses in dezentralen Klima­gerä­ten oder Kühldecken etablieren zu können, beschäftigt sich das ILK Dresden aktuell mit den Fragestellungen Gebäude- und Anlagenintegration, ganzjährige Systemregelung und Sorptions­mittelhandling. Ziel ist es auch, die Diskrepanz zwischen dem sehr geringen Sorptionsmittelbedarf im Membranelement auf der einen und der Entfernung zwischen Absorptionsfläche (Membran) sowie Sorptionsmittelregeneration auf der anderen Seite zu überwinden. Darüber hinaus wird beständig an der Optimierung der Membran-Wärme- und -Stoffübertrager gearbeitet, um Übertragungsgrade, Anschlussgestaltung und mechanische Stabilität permanent zu verbessern.