Indirekt und adiabat – Teil 2

Als maßgebliches Kriterium für die Leistungsfähigkeit wurde dabei der adiabate Kühl­wir­kungs­grad herangezogen. Dieser wird wesentlich durch den Wirkungsgrad des Befeuchtungssys­tems sowie die Rückwärmzahl der Wärmerückgewinnung beeinflusst und ist folgendermaßen definiert:

Φ_adia =

Systemvergleich

Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Systeme zur adiabaten Verdunstungskühlung zeigen sich am deutlichsten im direkten Vergleich. Zu diesem Zweck werden im Folgenden alle im ersten Teil behandelten Lösungen in Hinsicht auf die Leis­tungsdaten und Betriebskosten gegenübergestellt. Einzig die Taupunktkühlung konnte nicht berücksichtigt werden, da hierfür aufgrund der sehr spezifischen Ausführung der Komponenten keine allgemein verwendbaren Daten zur Verfügung standen. Als Vergleichsbasis wurde zusätzlich die vollständige Kühlung über ein Pumpen-Kaltwasser-Register (PKW) im Zentralklimagerät aufgenommen.

Für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit ist eine einfache Gegenüberstellung der Betriebszustände im Auslegungspunkt nicht ausreichend. Einen realistischen Vergleich der zu erwartenden Betriebskosten erhält man nur durch eine ganzheitliche Betrachtung der Betriebszustände, auch im Teillastbetrieb, und durch die Berücksichtigung des zusätzlichen Energieverbrauchs, der entsteht, wenn das adiabate Kühlsystem nicht aktiv ist (z. B. Druckverluste zusätzlicher Einbauten).

Die Grundlage für die Berechnungen bilden dabei die Klimadaten für den Standort Mannheim gemäß DIN 4710:2003. Hier sollen die Anlagen an sechs Wochentagen für jeweils 14 h eingesetzt werden, was 4380 Betriebsstunden pro Jahr entspricht. Bei einem Luftvolumenstrom von 10 000 m³/h liegt die geforderte Zulufttemperatur im Kühlbetrieb bei 18 °C. Die Ablufttemperatur wurde auf 26 °C festgelegt. Die aktive Kühlung beginnt ab einer Außenlufttemperatur von 20 °C und ist damit an 765 h im Jahr in Betrieb. In der verbleibenden Zeit wird entweder die freie Kühlung genutzt oder die Anlage befindet sich im Heizbetrieb mit Wärmerückgewinnung.

Zulufttemperaturen ohne zusätzliche Kälte

Eine erste Einschätzung der Leistungsfähigkeit der verschiedenen Ausführungsvarianten erlaubt die Betrachtung der nur mit der adiabaten Verdunstungskühlung erreichbaren durchschnittlichen Zulufttemperaturen (Bild 1) im Kühlbetrieb. Hier zeigt sich, dass gerade die technisch einfacheren Systeme 1 bis 3 die 23 °C-Marke nicht unterschreiten. Erst die Integration des Befeuchtungsvorganges in das Wärmerückgewinnungssystem sowie die Nutzung des Umlaufwassers und die damit verbundenen hohen Wasser-Luft-Zahlen ermöglichen hier einen deutlichen Leistungssprung. Das System Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager mit integrierter Befeuchtung und Abluftvorkühlung erreicht hier mit durchschnittlich 18,8 °C fast während der gesamten Kühlsaison die erforderlichen 18 °C Zulufttemperatur.

Erbrachte Kühlenergie

Für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der adiabaten Verdunstungskühlung ist allerdings aussagekräftiger, wie viel konventionell erzeugte Kälte tatsächlich substituiert wird (Bild 2). Der Gesamtkühlbedarf beträgt im Rechenbeispiel 15,4 MWh/a und beinhaltet auch die zur Entfeuchtung der Außenluft notwendige Kälte, die sys­tembedingt nicht von der adiabaten Verdunstungskühlung erzeugt werden kann. Während mit dem „einfachsten“ System Abluftbefeuchtung mit Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager nur 43 % der jährlich benötigten Kühlleistung durch die adiabate Verdunstungskühlung ersetzt werden kann, beträgt dieser Anteil bei dem System Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager mit integrierter Befeuchtung und Abluftvorkühlung fast 89 %.

Betriebskosten im
Kühlbetrieb

Das für den Betreiber wichtigste Vergleichskriterium sind die für die verschiedenen Systeme anfallenden laufenden Kosten (Bild 3). Aufgeführt sind diese sowohl für den Wasser- und Stromverbrauch der Verdunstungskühlung als auch für die zusätzlich zum Erreichen der 18 °C Zulufttemperatur benötigte Kälteenergie. Diese wird in den meisten Fällen von einem elektrisch betriebenen Kaltwassersatz bereitgestellt.

Die ermittelten Stromkosten im Kühlbetrieb berücksichtigen dabei sowohl die für die adiabaten Kühlsysteme ggf. notwendigen Pumpen als auch die zur Überwindung der Druckverluste des Wärmerückgewinnungssys­tems und der erforderlichen Befeuchtungseinrichtungen inkl. Tropfenabscheider benötigte elektrische Leistungsaufnahme der Abluft- und Zuluftventilatoren. Ebenfalls berücksichtigt wurde die elektrische Leistungsaufnahme zum Betrieb des Ro­ta­tionswärmeübertragers im System 1.

Für die Berechnung der Kos­ten aus den einzelnen ermittelten Betriebsmittelverbräuchen wurden folgende spezifische Kosten berücksichtigt:

Erwartungsgemäß lassen sich im Vergleich zu dem Gerät ohne adiabate Vorkühlung der Au­ßen­luft mit allen betrachteten Systemen die Betriebskosten im Kühlbetrieb deutlich reduzieren. Das ermittelte Einsparpotential beträgt je nach eingesetztem adiabaten Kühlsystem zwischen 25 und 55 %. Absolut können bei der betrachteten beispielhaften Baugröße von 10 000 m³/h jedes Jahr zwischen 350 und 900 € eingespart werden.

Dabei machen die Kosten für Frischwasser und Abwasser der adiabaten Kühlung mit 10 bis 20 % der Gesamtbetriebskosten im Kühlbetrieb nur einen relativ geringen Anteil aus. Demgegenüber fallen die von der Verdunstungskühlung verursachten Stromkosten deutlich höher aus. Insgesamt betragen die Stromkosten je nach System maximal das Doppelte der Wasserkosten.

Als Drittes wurden die durch die Nachkühlung mit Hilfe des Pumpen-Kaltwasser-Registers ent­stehenden Kosten für die be­reit­zustellende Kälteenergie berechnet. Hier spiegelt sich die Leistungsfähigkeit der ver­schiedenen Systeme zur adiaba­ten Verdunstungskühlung deutlich wider. Mit zunehmender Leis­tungsfähigkeit können die Kostenanteile der zusätzlich zu erbringenden Kälteenergie auf ein Minimum reduziert werden, was insgesamt zu minimalen Betriebskosten für die Zuluftküh­lung führt.

Gesamtbetriebskosten
über das Jahr

Im Gesamtkostenvergleich (Bild 4) werden dann neben dem aktiven Kühlbetrieb auch die vom Kühlsystem in den verblei­ben­den 3615 Betriebsstunden verursach­ten Kosten aufgeführt, in denen das Zentralklimagerät für den Heizbetrieb mit Wärme­rückgewinnung und Nacherwär­mung der Zuluft genutzt wird. Ausschlag­gebend sind hier ebenfalls die zusätzlichen, ganzjährig an­fallenden Druckverluste, die durch die verschiedenen Komponenten des Klimagerätes entstehen.

So verursachen die Geräte mit vorgeschaltetem Wabenbefeuchter (System 1 und 2) außerhalb des Kühlbetriebs spürbar höhere Kosten als die Anlagen, die direkt im Rekuperator befeuchten (Systeme 3, 4 und 5). Aufgrund der Druckverluste des ergänzenden Vorkühlers in der Abluft sind beim System 6 die zusätzlichen Betriebskosten im Heizbetrieb am höchsten. Aber auch beim Vergleichssystem mit konventioneller Kälteerzeugung fallen in diesem Zusammenhang relativ hohe Betriebskosten an. Dies liegt daran, dass im Kühlbetrieb die gesamte Kühlleistung über das Pumpen-Kaltwasser-Register erbracht werden muss, was eine entsprechend große Dimensionierung erforderlich macht, womit wiederum hohe ganzjährige Druckverluste verbunden sind.

In der Gesamtbetrachtung der Betriebskosten (Summe der aktiven Kosten zur Zuluftkühlung und der passiven Kosten im Heizbetrieb) schneidet die Abluftdirektbefeuchtung mit Umlaufwasser im Gegenstrom-Rekuperator am besten ab und spart hier pro Jahr mehr als 1000 € gegenüber dem Vergleichssys­tem ein. Eine spürbare Senkung der Betriebskosten lässt sich aller­dings mit allen adiabaten Kühlsystemen erzielen. Abhängig vom jeweiligen Ansatz betragen die Einsparungen zwischen 420 und 1020 € jährlich.

Insgesamt können diese Einsparungen überzeugen und zeigen zudem das Potential für wärmere Regionen mit noch höherem, jährlichem Kühlbedarf auf. Allerdings wird angesichts der maxi­malen Aufwendungen von knapp 1940 €/a deutlich, dass die absoluten Einsparpotentiale für den Standort Mannheim über­schaubar bleiben. Der eigentliche wirtschaftliche Vorteil der adiabaten Verdunstungskühlung liegt vielmehr darin, dass da­durch die zusätzliche Kälteerzeugung deutlich kleiner dimensio­niert werden kann und hier die Investitionskosten entsprechend ge­ringer ausfallen.

Kühlleistung

Die Einsparpotentiale auf der Investitionsseite werden deutlich, wenn man die verbleibende notwendige Kühlleistung für das Pumpen-Kaltwasser-Register betrachtet (Bild 5). Einen wesentlichen Einfluss hat hier der Auslegungspunkt. In der Simulation wurde zunächst von einer Maximalauslegung ausgegangen, bei der die Komfortkriterien am Standort Mannheim auch bei ex­tremsten Außenluftkonditionen eingehalten werden. Schon hier kann die zu installierende Kälteleistung durch den Einsatz der adiabaten Verdunstungskühlung von ursprünglich 73,9 kW um 30 % auf 51,6 kW verringert werden.

Nimmt man hingegen einen praxisgängigeren Auslegungspunkt von 32 °C/40 % r.F. als Basis, erhöht sich das Einsparpotential noch einmal erheblich. So sinkt zunächst die maximale Leistungsanforderung für das Vergleichssystem auf 44,7 kW. Bereits der Einsatz der Abluftbefeuchtung mit Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager (System 2) erzielt demgegenüber eine Reduktion um 44 % auf 25,2 kW. Dieser Wert verbessert sich mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit der Systeme soweit, dass bei der Abluftvorkühlung mit Gegenstrom-Rekuperator ein Rückgang um 82 % erreicht wird und die von extern benötigte Kälteleistung für den Betrieb des Pumpen-Kaltwasser-Registers nur noch maximal 7,9 kW beträgt.

Unter Berücksichtigung von spezifischen Investitionskosten für die Kälteerzeugung von 300 €/kW entspricht diese Reduzierung der benötigten Kälteleistung für das betrachtete Lüftungsgerät mit einem Luftvolumenstrom von 10 000 m³/h einer Investitionskostenersparnis zwischen 6000 und 10 500 €. Zudem reduziert sich analog die elektrische Aufnahmeleistung, wodurch sich auch die Lastspitzen verringern. Da die benötigte maximale Anschluss­leistung einen maßgeblichen Einfluss auf den Strompreis des Kunden hat, amortisiert sich die Investition in die adiabate Verdunstungskühlung hier insgesamt sehr schnell – und zwar unabhängig von der Betrachtung der Betriebskosten. Dies gilt insbesondere, wenn dadurch auf die Installation einer neuen Zuleitung oder einer neuen Trafostation verzichtet werden kann.

Adiabate Verdunstungskühlung mit
Abluftvorkühlung ohne zusätzliche Kälte

Gerade bei der Betrachtung der Ergebnisse der Abluftvorkühlung mit Gegenstrom-Rekuperator wird deutlich, dass die adiabate Verdunstungskühlung bei kleinen „Komfortzugeständnissen“ bereits heute in der Lage sind, die konventionelle Kälteerzeugung vollständig zu ersetzen. Selbst unter den anspruchsvollen Rahmenbedingungen der Simulation deckt das System am Standort Mannheim 89 % der für die Kühlung benötigten Energie ab. Der Bedarf für die verbleibenden 11 % verteilt sich dabei über die gesamte Betriebszeit. Ohne zusätzliche Kühlung bedeutet dies in der Praxis, dass die geforderte Zulufttemperatur von 18 °C dann temporär überschritten wird. Hier muss der Betreiber abwägen, ob in diesen Zeiten eine in der Regel leicht erhöhte Raumtemperatur hinnehmbar ist, wenn dafür die Investitionskosten für eine ergänzende Kälteanlage komplett eingespart werden können.

Für den am Beispiel des Standortes Mannheim geführten Betriebskostenvergleich ergibt sich bei Verzicht auf ein zusätzliches Zuluftkühlregister eine Reduktion der Gesamtbetriebskosten für die Zuluftkühlung auf jährlich 714 € (Bild 4). Gegenüber dem konventionellen Vergleichssystem mit Zuluftkühlregister und ohne adiabate Vorkühlung entspricht dies einer Kostenersparnis für die Zuluftkühlung von 63 %. Zusätzlich entfallene Wartungskosten für die nicht notwendige Kaltwasserbereitstellung sind in dieser Betrachtung nicht enthalten.

Je nach Einsatzregion muss da­bei jedoch ebenfalls die Ent­feuch­tung der Außenluft be­rück­sichtigt werden, die mit Sys­temen zur adiabaten Verduns­tungskühlung allein nicht möglich ist. In Gegenden mit hoher Luftfeuchtigkeit im Sommer ist daher wahrscheinlich ein Pumpen-Kaltwasser-Register er­forderlich, das dann allerdings auf die notwendige Entfeuch­tungs­leistung beschränkt werden kann. Eine Alternative stellt hier die sorptionsgestützte Entfeuchtung dar, bei der die warme Außenluft durch einen wasserabsorbierenden Stoff geleitet und so entfeuchtet wird. Dafür kommt eine hoch konzentrierte Salzlösung zum Einsatz, die anschließend mit Hilfe von Wärme wieder regeneriert wird. Auf diese Weise können Kühlung und Entfeuchtung vollständig auf Basis natürlicher Prozesse erfolgen.

Fazit

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. So steht heute eine große Bandbreite verschiedener Systeme zur Verfügung, mit denen zahlreiche unterschiedliche Projektanforderungen erfüllt werden können.

Dabei sind vor allem zwei Aspekte von besonderer Bedeutung. Erstens können durch die natürliche Kühlung und die damit verbundenen Einsparungen beim Stromverbrauch gesetzliche Anforderungen – etwa die des EEWärmeG – leichter erfüllt werden. Im Zuge dessen entstehen auch bei anspruchsvollen Projekten wie Niedrigenergie- oder Passivhäusern neue Spielräume, die sich mit konventioneller Technik kaum erreichen lassen. Zweitens liegt der wirtschaftliche Vorteil in Mitteleuropa vornehmlich auf der Investitionsseite.

Durch den weitgehenden Einsatz der adiabaten Verdunstungskühlung lassen sich hier die Kosten für die zusätzliche Kälteerzeugung erheblich reduzieren oder gar ganz vermeiden.