Kompetenz für die Sorptionsgestützte Klimatisierung

Zur Notwendigkeit

Die DIN 1946 Teil 2 empfiehlt ein Behaglichkeitsbereich in dem die Raumtemperaturen zwischen 22 und 26° C und die relativen Feuchten zwischen 30 und 65 % und der absoluten Feuchte von 11,5 g/kg liegen. Ein kurzzeitiges Übersteigen der Temperaturen auf über 26° C ist erlaubt. Für einen kurzzeitigen Aufenthalt in gekühlten Räumen sollten die Raumlufttemperaturen das Mittel aus Außenlufttemperatur und 20° C nicht unterschreiten.

Mit steigenden Temperaturen im Sommer kommt der Wärmeabgabe des Körpers durch Verdunstung eine immer größere Bedeutung zu, da die Anteile der Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlung mit steigender Raumlufttemperatur sinken und bei 33° C gleich Null sind.

Sind die Raumlufttemperaturen höher als 33° C muß über die Feuchtediffusion bzw. Schweißabgabe zusätzlich noch die Wärmemenge des konvektiven Anteils abgeführt werden. Es ist also anzustreben, dass die Raumluftzustände im Sommer bei hohen Außentemperaturen in Richtung niedrigerer relativer Feuchte verschoben werden. In Abb. 1 ist der Anteil der Wärmeabgabe durch Verdunstung dargestellt.


Abb. 1: Anteil der Verdunstung an der Gesamtwärmeabgabe

Bei der Festlegung der Raumluftfeuchte ist auch der indirekte Einfluss auf den Menschen durch Bakterien, Viren, Erkrankungen des Rachenraumes, allergische Reaktionen, Ozonproduktion u.a. zu beachten. In Abb. 2 ist die Abhängigkeit dieser Faktoren von der Raumluftfeuchte dargestellt. Es zeigt sich dabei, daß der optimale Bereich nicht eindeutig bestimmt ist, jedoch eine optimale Zone zwischen 40 und 60 % relativer Feuchte liegt.


Abb. 2: Wirkung der Luftfeuchte (entnommen aus: ASHRAE Journal)

Nicht zuletzt hängt die geistige Leistungsfähigkeit von einer optimalen Raumtemperatur ab. Forschungen in Schweden haben diese Abhängigkeit entsprechend Abb. 3 ermittelt.


Abb. 3: Abhängigkeit der geistigen Leistungsfähigkeit von der Raumtemperatur

Vorteile des Verfahrens

Mit Hilfe der Sorptionsgestützten Klimatisierung kann das Raumklima behaglich gestaltet werden, oft sogar im energetischen Optimum.

Die Klimatisierung durch sorptive Luftentfeuchtung – ob mit Hilfe von Sorptionsregeneratoren oder Flüssigkeitssystemen - öffnet grundsätzlich neue Wege in der Klimatechnik. Dies kann der generelle Verzicht auf die klassische Kompressionskälteanlage durch Einbeziehung der Verdunstungskühlung oder die Erhöhung der Verdampfungstemperaturen in Kälteanlagen durch den Wegfall der Luftentfeuchtung durch Taupunktunterschreitung sein. Somit stellt die SGK-Technik eine neue Qualität in der Klimatechnik dar. Der Begriff SGK ist ein Synonym für die Verfahrenskombination „Lufttrocknung, Verdunstungskühlung und Wärmerückgewinnung“. Aus dem amerikanischen Sprachgebrauch stammt die Bezeichnung „Desiccant Cooling“, innerhalb des FGK wurde der Begriff „Sorptionsgestützte Klimatisierung“ eingeführt. Betrachtet werden dabei sowohl die klassische SGK-Anlage mit je einem Zu- und Abluftbefeuchter als auch Kombinationen mit einem Oberflächenkühler in der Zuluft.

Die Vorteile des Einsatzes der Sorptionsgestützten Klimatisierung bewegen sich im ökologischen aber auch wirtschaftlichen Bereich. Die Anwendung der Verdunstungskühlung als Kühleffekt ermöglicht den Verzicht auf chemische Kältemittel, von denen die meisten nach wie vor einen Beitrag zum Treibhauseffekt bzw. zur Ozonzerstörung leisten. Im Falle der Kombination der sorptiven Luftentfeuchtung mit  klassischer Kältetechnik ergibt sich eine deutliche Verbesserung der Leistungszahl der Kälteerzeugung durch den Verzicht auf Taupunktunterschreitung. Insgesamt besteht die Chance, die Leistung der Kältemaschine bis auf 25 % der ursprünglichen Auslegung zu verringern.

Die Antriebsenergie der sorptiven Luftentfeuchtung ist Wärme, die sowohl Abwärme, Solarwärme oder auch Fernwärme sein kann. Der Vorteil dieser Niedertemperaturwärme ist in der ökologischen Verträglichkeit zu sehen.

Die Erfahrungen der bisher ausgeführten Anlagen haben gezeigt, dass es im Bereich der Investitionskosten oftmals keine Nachteile gegenüber den klassischen Klimaanlagen gibt. Durch den Wegfall z. B. des Kühlturmes entstehen sogar bessere Bedingungen für die Gesamtgestaltung des Gebäudes aus architektonischer und städtebaulicher Sicht.

Beispiele für die Systemlösung

Die klassische SGK-Anlage, die mit Hilfe des Zu- und Abluftbefeuchters vor und nach dem Raum eine Verdunstungskühlung realisiert, ist der Abb. 4 zu entnehmen.


Abb. 4: Klassische SGK - Klimaanlage

Die meisten SGK-Anlagen werden mit Abwärme aus der Kraft-Wärme-Kopplung (Fernwärme, BHKW) betrieben. Je nach Auslegungsbedingungen können SGK-Anlagen bereits ab 55° C Regenerationstemperatur betrieben werden. Interessant ist es, Auslegungsbedingungen zu wählen, bei denen niedrigere Heizwassertemperaturen möglich sind, als beim Einsatz von Absorptionskälteanlagen.

In Abb. 5 ist der Auslegungszustand für den Sommer eingetragen. Die Rückwärmzahl des Wärmerückgewinnungssystems wurde mit 80 % angenommen. Nicht berücksichtigt wurde dabei die Ventilatorwärme im Zu- und Abluftvolumenstrom. Aufgrund der gewählten Zu- und Raumluftparameter kann die Regenerationstemperatur auf 70° C abgesenkt werden. Potentielle Anwendungen dieser Technik sind besonders die Klimatisierung von Büro- und Versammlungsstätten bzw. generell die Klimatisierung von Räumen mit großen Personendichten, bei denen die Auslegung der RLT-Anlage nach dem Außenluftvolumenstrom zu erfolgen hat.


Abb. 5: Auslegung einer SGK-Anlage für den Sommerfall

Wichtigste Aufgabe der SGK-Anlage ist die möglichst große Entfeuchtung der Außenluft, um anschließend in Form der Verdunstungskühlung eine starke Temperaturabsenkung erreichen zu können. Neben dem Auslegungsfall der maximalen Außenlufttemperatur, sollte auch der Fall maximaler Außenluftfeuchtigkeit im Rahmen der Auslegung näher betrachtet werden.

SGK und Oberflächenkühler

Eine andere Art der Verschaltung besteht im Verzicht auf den Zuluftbefeuchter und der Einbeziehung einer trockenen Nachkühlung der Zuluft. Dabei kann sowohl ein Oberflächenkühler als auch ein Direktverdampfer einer Kälteanlage zum Einsatz gelangen. Durch diese Kopplung mit klassischer Kältetechnik ergeben sich sowohl auf der Seite der Kältemaschine als auch bei der sorptiven Luftentfeuchtung Vorteile. Die Luft muß nur noch soweit entfeuchtet werden, wie für die Zuluftaufbereitung unbedingt notwendig. Auch aus wirtschaftlichen Erwägungen heraus ist die Kopplung mit zentralem Kaltwasser, sofern z. B. Kühldecken im Gebäude versorgt werden müssen, vorteilhaft. In Abb. 6 ist die Verschaltung dargestellt.


Abb. 6: Einbindung eines Oberflächenkühlers

Der Vorteil dieses Systems liegt u.a. auch darin, dass Teile der Abwärme aus der Kaltwassererzeugung auch für die thermische Regeneration des Sorptionsregenerators genutzt werden können.

In Abb. 7 ist der Verlauf im Mollier-h,x-Diagramm dargestellt.
Im Zusammenhang mit den gekoppelten Systemen sind auch die Varianten, bei denen Uferfiltrat oder Grundwasser als Kältepotential zur Anwendung gelangen kann, zu erwähnen. An günstigen Standorten steht durchaus Kaltwasser zur Verfügung, welches für die Kühlung nicht jedoch für die Entfeuchtung genutzt werden kann. Durch das Zusammenwirken mit der sorptiven Luftentfeuchtung entsteht jedoch ein energetisch günstiger Prozess.



Abb. 7: Zustandsänderung bei der Einbindung eines Oberflächenkühlers in die SGK