Indirekt und adiabat – Teil 1

Das grundlegende Prinzip der adiabaten Verdunstungskühlung bleibt dabei unverändert: Durch die Befeuchtung mit Wasser wird der Luft die für die Verdunstung benötigte Verdampfungswärme ohne externe Wärmezufuhr, also adiabat, entzogen. Da bei dieser Zustandsänderung gleichzeitig die Luftfeuchte steigt, kann die Zu­luft aus Komfortgründen nicht direkt befeuchtet werden. Dies geschieht stattdessen im Abluftstrom. Die gekühlte, feuchte Abluft wird anschließend in ein Wärmerückgewinnungssystem geführt und kühlt dort die warme Außenluft sensibel ab.

Die Leistungsfähigkeit der adiabaten Verdunstungskühlung und die erreichbare Zulufttemperatur hängen entscheidend von der Außen- und Abluftfeuchte ab. In Mitteleuropa werden entsprechend ausgestattete Klimageräte daher insbesondere bei hohen Komfortansprüchen dreistufig betrieben. Die Anlagen arbeiten zunächst mit freier Kühlung und schalten dann bei Kühlbedarf die adiabate Verdunstungskühlung hinzu. Bei höheren Leistungs­an­forderungen oder Entfeuchtungsbedarf wird die Zuluft dann zusätzlich noch über ein Pumpen-Kaltwasser-Register oder alternativ einen Direktverdampfer gekühlt.

Klimaschutz fördert natürliche Kühlung

Der große Vorteil der adiabaten Verdunstungskühlung liegt darin, dass sie die konventionelle Kälteerzeugung durch einen natürlichen Prozess substituiert. Auf diese Weise werden sowohl der Stromverbrauch als auch die elektrische Aufnahmeleistung deutlich reduziert. Deshalb wird die von der adiabaten Verdunstungskühlung erbrachte Kälteleistung auch im Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) als Regenerative Energie anerkannt. In Verbindung mit einer effizienten Wärmerückgewinnung ist es so durchaus möglich, die 50 %-Forderung des EEWärmeG nur mit diesen beiden Systemen zu erfüllen.

Wichtig sind in diesem Zusammenhang auch die Bemühungen der Europäischen Union, die Verwendung von F-Gasen flächendeckend einzuschränken. Die Überarbeitung der EU-Verordnung Nr. 842/2006 sieht hier vor, den Einsatz der für die Klimatechnik relevanten Kältemittel R407C, R410A und R134a mittelfristig zu verbieten. Als Alternativen sollen dann nur noch natürliche Kältemittel und reine Hydrofluoroolefine (HFO) zugelassen sein, die jedoch in Hinsicht auf die Effizienz sowie den Brand- und Explosionsschutz problematisch sind. Vor diesem Hintergrund wird die Bedeutung der adiabaten Verdunstungskühlung, die vollständig auf den Einsatz von F-Gasen als Kältemitteln verzichtet, zukünftig erheblich größer werden.

Übersicht marktgängiger Systeme

Wie schon beschrieben, haben sich mittlerweile vielfältige Ansätze zur Umsetzung der indirekten adiabaten Verdunstungskühlung in Zentralklimageräten etabliert. Im Folgenden werden die vier wichtigsten, marktüblichen Lösungen in Bezug auf Technik, Effizienz sowie Vor- und Nachteile kurz vorgestellt (Tabelle 1).

Als Kriterium für die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Sys­teme wird dabei der adiabate Kühlwirkungsgrad herangezogen. Ausgehend von der Tatsache, dass die theoretisch minimal erreichbare Zulufttemperatur der Feuchtkugeltemperatur der Abluft entspricht, ist diese folgendermaßen definiert:

Φ_adia =

Einen wesentlichen Einfluss auf den adiabaten Kühlwirkungsgrad haben dabei der Wirkungsgrad des Befeuchtungssystems sowie die Rückwärmzahl der Wärmerückgewinnung.

1. Abluftbefeuchtung und Rotationswärmeübertrager

Die technisch einfachste Lösung liegt darin, Befeuchtung und Wärmeübertragung im Klimage­rät zu trennen. Dabei wird der Abluftstrom erst durch ein Befeuchtungssystem (in den meis­ten Fällen ein Wabenbefeuchter) und anschließend häufig durch einen Rotationswärmeübertrager geführt (Bild 1).

Gerade bei größeren Luft­leis­tun­gen von mehr als 10 000 m³/h erreicht diese Kombination bei niedrigen Anschaffungskosten einen guten adiabaten Kühlwirkungsgrad von 70 %.

Zudem können die Anlagen mit einer geringen Baulänge ausgeführt werden. Weiterhin stellt der Betrieb des Wabenbefeuchters keine besonderen Anforderungen an die Wasserqualität, so dass hier in der Regel einfaches Leitungswasser verwendet und auf eine zusätzliche Aufbereitung verzichtet werden kann.

Kritisch betrachtet werden muss allerdings die bei re­ge­ne­rativen Wärmerückgewinnungssystemen unvermeidbare Feuchteübertragung von der Abluft an die Zuluft, die in Hinsicht auf die einzuhaltenden Behaglichkeitskriterien eine große Herausforderung darstellt. Diese geschieht sowohl über den Rotationswärmeüber­trager selbst als auch über Leckagen an den Schleifdichtungen. Um die Übertragung von Luftfeuch­tig­keit auf die Zuluft über Leck­luft und Mitrotationsluft aus­zu­schließen, muss die Venti­la­tor­anordnung so gewählt werden, dass ein Druckgefälle von der Zuluft- zur Abluftseite gewährleistet ist. Zudem muss der Rotationswärmeübertrager mit einer Spülkammer ausgerüstet werden. Der dann als Leck- und Spülluft zusätzlich zu transportierende Außenluftvolumenstrom muss bei der Dimensionierung der Ventilatoren berücksichtigt werden.

In Verbindung mit dem Wabenbefeuchter im Abluftstrom vor dem regenerativen Wärmerückgewinnungssystem ergeben sich hier hohe Anforderungen an die Hygiene. Um einer Keimbildung mit der möglichen Folge einer Keim­übertragung in den Zuluftstrom sicher vorzubeugen, sind sehr kurze Wartungszyklen erforderlich, die wiederum die Betriebskosten erhöhen. Weiterhin ­entstehen, auch wenn die Ver­duns­tungs­küh­lung nicht aktiv ist, Druckverluste durch den Wabenbefeuchter, die ganzjährig zu einer erhöhten Leistungsaufnahme des Abluftventilators führen und so die Energieeffizienz des Klimageräts verringern.

2. Abluftbefeuchtung und Rekuperator

Bei dieser Lösung wird anstelle des Rotationswärmeübertragers ein Rekuperator eingesetzt. Dabei handelt es sich in der Regel um einen Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager, der bei typischer Auslegung die Anforderungen der Wärmerückgewinnungsklasse H3 nach DIN EN 13 053:2012 erfüllt.

Der Wabenbefeuchter zur Befeuchtung und Temperaturabsenkung des Abluftstroms wird als separates, dem Plattenwärmeübertrager im Abluftstrom vorgeschaltetes Bauteil beibehalten (Bild 2). Dieses System zeichnet sich ebenfalls durch einen einfachen Aufbau sowie geringe bis mittlere Anschaffungskosten bei niedrigeren Volumenströmen unter 10 000 m³/h aus. Weiterhin bleiben durch die Verwendung eines rekuperativen WRG-Systems der Zuluft- und der Abluftstrom nach der Befeuchtung vollständig voneinander getrennt, so dass hier eine Feuchteübertragung sowie eine hygienisch bedenkliche Keimübertragung ausgeschlossen sind.

Allerdings wird die Leistungs­fä­higkeit der Verdunstungsküh­lung durch die geringe Rück­wärm­zahl des Kreuzstrom-Plat­ten­wärmeübertragers von maximal 60 % spürbar beeinträchtigt. Gleichzeitig weisen die Klimageräte eine größere Baulänge auf, da der Rekuperator gegenüber dem Rotationswärmeübertrager mehr Platz benötigt. Auch bei dieser Variante sorgen die ganzjährigen Druckverluste durch den Wabenbefeuchter für einen erhöhten Stromverbrauch am Abluftventilator.

3. Abluftdirektbefeuchtung mit Frischwasser und

Rekuperator

Eine deutlich höhere Effizienz bei der Verdunstungskühlung lässt sich erreichen, wenn die Abluft direkt im Wärmerückge­winn­ungssystem befeuchtet wird (Bild 3). Dann finden die Stoff- und Wärmeübertragung gleichzeitig im Rekuperator statt, was energetisch und physikalisch deutlich günstiger ist. Hierzu wird im Abluft-/Fortluftweg so viel Wasser versprüht, dass der Verdunstungsprozess noch innerhalb des Plattenwärmeübertragers erfolgt. Voraussetzung dafür ist, dass der Rekuperator absolut luftdicht und korrosionsbeständig ist. Hier spielt auch das verwendete Material eine wichtige Rolle, wobei Edelstahl und Aluminium deutlich anfälliger für Verunreinigungen durch Wasser sind als Kunststoff.

Derartige Systeme basieren in der Regel auf einem Kreuz-Gegenstrom-Wärmeübertrager (typische WRG-Klasse H2 nach DIN EN 13 053:2012), werden aber auch mit einfachen Kreuzstrom-Plattenwärmeübertragern bzw. mit Kreislauf-Verbund-Systemen ausgeführt. Zur Einbringung des Wassers in den Luftstrom sind die Düsen der Sprühanlage am Ablufteintritt angeordnet. Auf diese Weise wird die abluftseitige Wärmeübertragerfläche gleichzeitig direkt zur Befeuchtung genutzt, wodurch sich die Kühlleistung deutlich erhöht. Die Verwendung einer hydrophilen Oberflächenbeschichtung des Plattenwärmeübertragers auf der Abluftseite unterstützt die Bildung eines Flüssigkeitsfilms für höhere Verdunstung und damit bessere Kühlleistungen. Weiterhin werden nicht verdunstete Wassertropfen über einen am Fortluftaustritt des Rekuperators installierten Tropfenabscheider abgeschieden und dem Ablauf zugeführt.

Da so auf ein zusätzliches Befeuchtungssystem im Abluftstrom verzichtet werden kann, reduzieren sich die Investitionskosten sowie die Baulänge. Höhere Druckverluste auf dem Abluftweg entstehen nur im Betrieb des adiabaten Kühlsystems durch die Benetzung der Wärmeübertragungsplatten. Dauerhafte, zusätzliche Druckverluste im Betrieb ohne Kühlung treten nicht auf.

In dieser einfachen Geräteausführung wird das unterhalb des Rekuperators aufgefangene, nicht vom Abluftstrom aufgenommene Wasser direkt abgeführt. Hier werden die Investitions- und auch Betriebskosten für ein Umlaufwassersystem gespart, so dass die Anschaffungskosten insgesamt relativ niedrig sind. Gleichzeitig sind die Anforderungen an die Wasseraufbereitung zur Vermeidung von Ablagerungen im Wärmeübertrager sind vergleichsweise gering. In den meisten Fällen kommt enthärtetes Wasser zum Einsatz.

Um höhere adiabate Kühlwirkungsgrade von bis zu 75 % bei der Verdunstungskühlung zu erreichen, müssen allerdings größere Mengen Frischwasser versprüht werden als für die Befeuchtung der Abluft notwendig sind. Dementsprechend steigt bei hohem Kälte­bedarf die Wasser-Luft-Zahl stark an, was sich deutlich auf die Betriebskosten auswirkt.

4. Abluftdirektbefeuchtung mit Umlaufwasser und Rekuperator

Eine Weiterentwicklung des vorgenannten Ansatzes stellt die Verwendung von Umlaufwasser für die Verdunstungskühlung dar (Bild 4). Durch den Einsatz einer Auffangwanne, einer Umwälzpumpe sowie der zugehörigen Regelung mit Füllstandüberwachung, automatischer Nachspeisung und Abschlämmung wird das nicht verdunstete Wasser hier in einem Kreislauf wiederverwendet. Dies führt zu einem erheblich reduzierten Wasserverbrauch.

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil ist, dass der Kreuz-Gegenstrom-Wärmeübertrager mit einer deutlichen Überschussmenge Wasser beaufschlagt werden kann. Diese beträgt bis zu einem 1000-fachen der in einem Frischwassersystem möglichen Menge, wodurch sich sehr hohe Wasser-Luft-Zahlen erreichen lassen. Zusätzlich wird im Umlenkteil des Kreuz-Gegenstrom-Wärmeübertragers ein weiterer Düsenstock eingesetzt, so dass nahezu die gesamte Wärmeübertragungsfläche benetzt wird. In der Folge steigen die Verdunstung und damit auch die Kühlleistung des Systems deutlich. Auch bei dieser Variante werden über einen am Fortluft­austritt des Rekuperators installierten Tropfenabscheider nicht verdunstete Wassertropfen abgeschieden und dem Umlaufwassersystem wieder zugeführt.

Durch den hohen Wasserüberschuss werden bei Verwendung von Plattenwärmeübertragern aus Kunststoff mineralische Ausfällungen von der Wärmeübertrageroberfläche abgewaschen. In den meisten Fällen kommt nicht aufbereitetes Stadtwasser zum Einsatz, nur bei Stadtwasser im Härtebereich „hart“ wird der Einsatz von enthärtetem Wasser empfohlen.

Die Investitionskosten für diese Ausführung der adiabaten Verdunstungskühlung erhöhen sich durch den zusätzlichen Wasserkreislauf. Demgegenüber steht allerdings ein sehr viel höherer adiabater Kühlwirkungsgrad von bis zu 90 %. Wie bei der Abluftdirektbefeuchtung mit Frischwasser treten auch hier zusätzliche Druckverluste nur zu den Betriebszeiten auf, wenn die Verdunstungskühlung genutzt wird.

Taupunktkühlung

Ein weiteres System, das eher wenig verbreitet ist und daher hier nur der Vollständigkeit halber vorgestellt wird, ist die Taupunktkühlung. Diese baut auf dem Prinzip der Abluftdirektbefeuchtung mit Frischwasser (System 3) auf. Anstelle der Ab­luft werden jedoch 33 % der adiabat vorgekühlten Außenluft als befeuchteter Luftstrom in den Plattenwärmeübertrager geleitet, während die Abluft ungenutzt an die Umgebung abgeführt wird. Dadurch sinkt die Feuchtkugel­temperatur im Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager wodurch tiefere Zulufttemperaturen erreichbar sind. Gleichzeitig wird allerdings ein 50 % höherer Außenluftvolumenstrom benötigt, um die volle Zuluftleistung zu erreichen. Dementsprechend erhöht sich die Leistungsaufnahme der Ventilatoren im adiabaten Kühlbetrieb, wodurch auch die Betriebskosten steigen. Zudem fallen die Geräte aufgrund der erhöhten Volumenströme in den Abmessungen erheblich größer aus.

5. Einsatz von Gegenstrom-Wärmeübertragern

Die erfolgreiche Einführung von Gegenstrom-Plattenwärme­über­tragern in Klimageräten mit hohen Luftleistungen bedeutet für die indirekte Verdunstungskühlung einen wichtigen Entwicklungssprung, womit diese Art der „natürlichen“ Kühlung in vielen Anwendungsfällen zu einer vollwertigen Alternative zu konventionellen Anlagen wird. Durch die hohe Effizienz des Gegenstromprinzips ist es möglich, den adiabaten Kühlwirkungsgrad und die Kühlleistung noch einmal deutlich zu steigern. Dies führt dazu, dass zusätzliche Kompressionskälteanlagen erheblich kleiner dimensioniert werden können oder sogar gar nicht mehr benötigt werden.

Entsprechend ausgestattete Zentralklimageräte hat Menerga erstmals auf der ISH 2013 vorgestellt. Aufbauend auf dem Prinzip der Abluftbefeuchtung mit Umlaufwasser (System 4) wird dabei der Kreuz-Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager durch einen Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager ersetzt. Mit hohen Rückwärmzahlen von über 90 % und einem energetischen Wirkungsgrad von über 75 % gemäß DIN EN 13 053:2012 verfügen die Geräte so über ein Wärmerückgewinnungssystem, das die strengen Anforderungen der Wärmerückgewinnungsklasse H1 über den gesamten Arbeitsbereich weit übertrifft. Durch die patentierte Konstruktionsweise liegen die Druckverluste hier auch bei hohen Nennvolumenströmen von mehreren 10 000 m³/h bei sehr niedrigen 150 Pa.

Direkte Befeuchtung im Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager

Eine wesentliche Herausforderung bei der Nutzung von Gegenstrom-Plattenwärmeübertragern für die Verdunstungskühlung ist die Befeuchtung der Abluft direkt im Rekuperator. Aufgrund der Luftführung kann das Wasser hier normalerweise nur unmittelbar vor dem Ablufteintritt versprüht werden. Die von dem Mülheimer Hersteller entwickelte, auch im Gegenstromsektor offene, Bauform ermöglicht es hingegen, das gesamte Wärmerückgewinnungssystem flächendeckend zu benetzten. Dazu muss lediglich ein zweiter Düsenstock über den oben offenen, abluftseitigen Luftkanälen im Gegenstrombereich des Wärmeübertragers angebracht werden.

Gleichzeitig wurde der Wärmeübertrager so konstruiert, dass sich kein Stauwasser im Luftweg ansammeln kann. So kommt es zwar zur gewünschten und notwendigen Tropfenbildung auf der Oberfläche – sobald sich diese Tropfen aber zu einem Film zusammenschließen, fließen sie direkt ab und werden in einer separaten Speicherwanne aufgefangen. So können sich auch bei den großen Wärme­übertragerflächen, wie sie beim Gegenstromprinzip zur Verfü­gung stehen, keine Wasser­nes­ter bilden, die zusätzliche Druckverluste erzeugen.

Standardmäßig wird in den Adconair Zentralklimageräten nur ein Düsenstock an der Einströmung verwendet, wodurch die Luft in der vorderen Hälfte der Abluftseite des Gegenstrom-Plattenwärmeübertragers befeuchtet wird (Bilder 5 und 6). Damit ist die für die Verdunstungskühlung genutzte Fläche deutlich kleiner als beim System 4 mit Kreuz-Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager. Dies wird allerdings durch den hohen Wärmerückgewinnungsgrad des Gegenstrom-Plattenwärmeübertragers mehr als kompensiert.

Gleichzeitig reduziert sich so die benötigte Wassermenge deutlich, was sich in einer entsprechend geringeren elektrischen Leistungsaufnahme der Pumpen für das Umlaufwasser bemerkbar macht. Durch die vollständige Nachverdunstung aller Aerosole im Gegenstromteil des Rekuperators treten keine Aerosole oder Tropfen auf der Fortluftseite des Wärmeübertragers aus. Deshalb ist hier auch kein zusätzlicher Tropfenabscheider erforderlich und die relative Feuchtigkeit der Fortluft im adiabaten Kühlbetrieb ist im Vergleich zu anderen Systemen sehr niedrig.

Auf diese Weise erreichen die Zentralklimageräte einen adiabaten Kühlwirkungsgrad von 91 %, womit die Temperatur der Außenluft nach Herstellerangaben um mehr als 14 K gesenkt werden kann.

6. Abluftvorkühlung

Diese im Vergleich zu den bisher üblichen Ansätzen bereits deutlich verbesserten Leistungswerte werden in Verbindung mit der neuen Technologie der Abluftvorkühlung noch einmal erheblich übertroffen. Hierbei wird ein Teil des Umlaufwassers abgezweigt und zur Kühlung der Abluft genutzt, bevor diese durch den Rekuperator strömt (Bild 7). Auf diese Weise sinkt die abluftseitige Feuchtkugeltemperatur im Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager, so dass sich die Leistungsfähigkeit der Verdunstungskühlung noch einmal wesentlich erhöht.

Bevor das Wasser nach der Vorkühlung in den Umlauf zurückkehren kann, muss es die Wärme, die der Abluft entzogen wurde, wieder abgeben. Dazu wird es über einen zweiten Düsenstock in der fortluftseitigen Hälfte des Gegenstrom-Plattenwärmeübertragers versprüht, wodurch die Wärme latent in Form von Wasserdampf vom Fortluftstrom aufgenommen wird (Bild 8).

Hier lässt sich die große Wärmeübertragungsfläche auf der Außenluft-/Fortluftseite als Verdunstungselement nutzen, so dass keine zusätzlichen Druckverluste im Fortluftweg entstehen. Gleichzeitig wird der warme Außenluftstrom auf diese Weise bereits in dieser Hälfte des Rekuperators adiabat vorgekühlt, was ebenfalls zur höheren Effizienz der Verdunstungskühlung beiträgt. Über einen am Fortluftaustritt des Rekuperators installierten Tropfenabscheider werden nicht verdunstete Wassertropfen abgeschieden und dem Umlaufwassersystem wieder zugeführt.

Durch die Nutzung der gesamten Wärmeübertragerfläche zur Abluftbefeuchtung und die hohe Rückwärmzahl des Gegenstrom-Rekuperators wird die Zuluft bis auf die Feuchtkugeltemperatur der Abluft am Eintritt in das Lüftungsgerät heruntergekühlt. Damit erreichen Klimageräte mit der von dem Mülheimer Unternehmen ebenfalls patentierten Technologie einen adiabaten Kühlwirkungsgrad von 100 %. Auf diese Weise lässt sich die Außenlufttemperatur im Vergleich zum Betrieb ohne Abluftvorkühlung um zusätzliche 2 K absenken. Dies entspricht einer Steigerung der Kühlleistung des Klimagerätes um bis zu 33 %, bezogen auf eine mittlere Raumlufttemperatur von 26 °C.

Insgesamt kann die Außenluft so um mehr als 16 K gekühlt werden, wodurch sich mit der adiabaten Verdunstungskühlung erstmals Zulufttemperaturen von 18 °C erzielen lassen. In Kombination mit der Abluftvorkühlung erfüllt die adiabate Ver­duns­tungs­küh­lung so nahezu alle Anforderungen an eine moderne Komfortklimatisierung, ohne dabei auf eine konventionelle Kompressionskälteerzeugung zurückgreifen zu müssen. Systembedingt ausgenommen ist dabei lediglich die Entfeuchtung. Hier muss der Betreiber dann abhängig von der Schwülehäufigkeit in der Region und den eigenen Komfortansprüchen abwägen, ob dafür eine zusätzliche Kältemaschine erforderlich ist.

Zwischenfazit

Angesichts der technischen Weiterentwicklung und der veränderten Rahmenbedingungen durch den Klimaschutz wird die indirekte adiabate Verdunstungskühlung für Planer zu einem immer wichtigeren Werkzeug. Gerade in Verbindung mit neuen Technologien wie dem Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager oder der Abluftvorkühlung eröffnen sich hier auch 20 Jahre nach der Markteinführung noch neue Anwendungsperspektiven, die es ermöglichen, die konventionelle Kälteerzeugung weitgehend zu substituieren.