Autor: Technikabteilung Mycond
Die heutigen Anforderungen an Raumklimasysteme in Österreich und anderen europäischen Ländern werden hinsichtlich Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit immer strenger. Traditionelle Kompressionssysteme, die die Luft zur Entfeuchtung unter den Taupunkt abkühlen und anschließend wieder auf eine behagliche Temperatur erwärmen (Reheat-Methode), verbrauchen erhebliche Mengen an elektrischer Energie. Dieser Ansatz führt zu beträchtlichen Energieverlusten, insbesondere dort, wo Temperatur und Feuchte gleichzeitig geregelt werden müssen.
Die Desiccant-Kühlung verfolgt einen grundsätzlich anderen Ansatz, indem die Behandlung fühlbarer (Temperatur) und latenter (Feuchte) Wärme getrennt wird. Diese Technologie nutzt thermische Energie zur Entfeuchtung durch Adsorption und kühlt anschließend die getrocknete Luft, sodass die Zielparameter ohne energieintensives Unterkühlen erreicht werden.
Historisch gewann die Entwicklung von Desiccant-Systemen in den 1980er-Jahren an Fahrt, mit der Einführung kompakter Rotationsräder und steigenden Strompreisen. Heute erlebt die Technologie durch die Integration mit Absorptionskältemaschinen eine neue Anwendung, wodurch hocheffiziente Systeme entstehen, die Abwärme und erneuerbare Energiequellen nutzen können.
Physikalische Grundlagen der Desiccant-Kühlung
Der Kern der Desiccant-Kühlung ist die Adsorption — die physikalische Bindung von Wassermolekülen an der Oberfläche eines festen Materials (Desiccant). Dieser Prozess erfolgt aufgrund des Unterschieds der Partialdrücke des Wasserdampfes in der Luft und an der Oberfläche des Desiccants. Die Effizienz der Adsorption hängt von der spezifischen Oberfläche des Materials ab, die bei modernen Desiccants 600-800 m²/g betragen kann.
Während der Adsorption wird Sorptionswärme freigesetzt, bestehend aus der latenten Kondensationswärme (etwa 2500 kJ/kg Wasser unter Standardbedingungen) und der chemischen Bindungswärme (je nach Desiccant-Typ variierend). Das führt zu einer Erwärmung der Luft nach der Entfeuchtung.
Nach der Sättigung mit Feuchte benötigt das Desiccant eine Regeneration, die durch Erwärmung auf materialabhängige Temperaturen erfolgt: für Silikagel 60-120°C, für Molekularsiebe 200-350°C, für moderne Verbundmaterialien 50-90°C. Die höhere Temperatur erhöht den Wasserdampfdruck im Desiccant und ermöglicht die Desorption der Feuchte in die Regenerationsluft.
Komponenten eines Desiccant-Kühlsystems
Das Herz des Desiccant-Systems ist ein rotierendes Rad, gefüllt mit Adsorptionsmaterial. Konstruktiv besteht es aus einer Matrix feiner Kanäle, die mit Desiccant beschichtet sind. Der Raddurchmesser wird durch den Luftvolumenstrom bestimmt und auf Basis der zulässigen Strömungsgeschwindigkeit durch den Querschnitt ausgelegt (typisch 2,5-4,0 m/s). Das Rad dreht sich langsam (6-12 Umdrehungen pro Stunde) zwischen zwei Luftströmen: dem Prozessluftstrom, der getrocknet wird, und dem Regenerationsluftstrom, der die Feuchte aus dem Desiccant entfernt.
Das Regenerationssystem besteht aus einem Erhitzer, der den Luftstrom auf die zur Wiederherstellung der Adsorptionsfähigkeit erforderliche Temperatur bringt. Der Regenerationsluftstrom beträgt üblicherweise 25-40% des Prozessstroms und hängt von der Regenerationstemperatur sowie vom angestrebten Taupunkt ab.
Zur Steigerung der Energieeffizienz wird ein Enthalpierad als Wärmetauscher eingesetzt, das Wärme zwischen den Strömen mit einer Effizienz von 65-85% überträgt. Zusätzlich kommt eine indirekte Verdunstungskühlung zum Einsatz, deren Wirksamkeit von der Außenluftfeuchte abhängt und 60-80% erreichen kann.
Absorptionskältemaschinen: Funktionsprinzip und Integration
Eine Absorptionskältemaschine ist eine thermisch angetriebene Kältemaschine, die Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid (LiBr) als Absorbens verwendet. Die Hauptkomponenten des Kreislaufs umfassen:
1. Verdampfer — in dem Wasser bei niedrigem Druck (0,6-1,2 kPa) und Temperaturen von 3-7°C verdampft und dem zu kühlenden Medium Wärme entzieht.
2. Absorber — in dem der Wasserdampf von einer konzentrierten LiBr-Lösung aufgenommen wird, wobei Absorptionswärme frei wird, die durch Kühlwasser abgeführt wird.
3. Generator — in dem die verdünnte Lösung auf 80-95°C für einstufige oder 140-160°C für zweistufige Maschinen erhitzt wird, wodurch Wasser verdampft und die Konzentration der Lösung wiederhergestellt wird.
4. Kondensator — in dem der Dampf kondensiert und Wärme an das Kühlwasser abgibt.
Die Leistungszahl (COP) von Absorptionskältemaschinen liegt typischerweise bei 0,6-0,8 für einstufige und 1,0-1,3 für zweistufige Maschinen. Das ist niedriger als bei Dampfkompressionskältemaschinen (3,0-6,0), der Vorteil der Absorptionssysteme liegt jedoch in der Nutzung von Wärme anstelle von elektrischer Energie.
Wärmequellen für Absorptionskältemaschinen können sein:
- Abwärme aus industriellen Prozessen (70-90°C)
- Solarenergie über Vakuumkollektoren (80-120°C)
- Erdgas (Brennerwirkungsgrade 85-95%)
- Elektrische Heizer (Wirkungsgrad bis zu 99%, jedoch wirtschaftlich nicht sinnvoll)
Integrationsschemata der Desiccant-Entfeuchtung mit Absorptionskältemaschinen
Es gibt drei grundlegende Schemata für die Integration von Desiccant-Systemen mit Absorptionskältemaschinen:
1. Serielle Anordnung — die Luft strömt zunächst durch das Desiccant-Rad, wo Feuchte entfernt wird, und wird anschließend durch die Absorptionskältemaschine auf die Solltemperatur gekühlt. Vorteil: unabhängige Regelung von Temperatur und Feuchte, Möglichkeit der Einhaltung eines niedrigen Taupunkts.
2. Parallele Anordnung — das Desiccant behandelt die frische Außenluft und entfeuchtet sie, während die Absorptionskältemaschine die Umluft kühlt. Vorteil: Reduktion der Gesamtlast auf die Kältemaschine, Einsparungen bei Investitionskosten.
3. Kogenerative Anordnung — eine gemeinsame Wärmequelle speist sowohl die Desiccant-Regeneration als auch den Generator der Absorptionskältemaschine. Vorteil: maximale Nutzung der Primärenergie, hoher Gesamtwirkungsgrad des Systems (bis zu 70-85%).
Die Integration dieser Systeme erzeugt mehrere Synergieeffekte:
- Lastverschiebung von der elektrischen Spitzenlast auf thermische Energie
- Erhöhung der COP der Absorptionskältemaschine durch höhere Verdampfertemperatur (jede Erhöhung der Verdampfertemperatur um 5-7°C kann die COP um 10-15% steigern)
- Möglichkeit der Nutzung niederwertiger Abwärme
Energieeffizienz und Vergleich
Die Leistungszahl (COP) von Desiccant-Kühlsystemen wird als Verhältnis der nutzbaren Kälteleistung zur Summe aller Energieaufwände definiert. Je nach Systemkonfiguration kann der COP zwischen 0,5 und 1,5 variieren, abhängig von Außenluftparametern, Komponenteneffizienzen und der Wärmequelle.
Im Vergleich zu traditionellen Kühl-Entfeuchtungssystemen bieten Desiccant-Systeme Vorteile unter folgenden Bedingungen:
- Hoher Anteil latenter Last (sensible heat ratio unter 0,7)
- Bedarf an niedrigem Taupunkt (unter 7-10°C)
- Verfügbarkeit kostengünstiger Wärmeenergie
Zur Steigerung der Energieeffizienz wird eine zweistufige Regeneration eingesetzt: Die erste Stufe nutzt niedrigere Temperaturen zur Abfuhr eines Feuchteanteils, die zweite höhere Temperaturen zur Erreichung der Zieltrockenheit. Dadurch lassen sich hochtemperierte Energie um 20-35% einsparen.
Planungslösungen und Optimierung
Schlüsselparameter für die Auslegung von Desiccant-Systemen umfassen die Berechnung der Luftströme und die Wahl der Regenerationstemperatur. Der Prozessluftvolumenstrom ergibt sich aus der Feuchtebilanz als Verhältnis der Feuchtelasten zur Differenz des Feuchtegehalts. Der Regenerationsluftstrom hängt von der Desorptionstiefe ab und beträgt üblicherweise 25-40% des Prozessstroms.
Die Regenerationstemperatur wird in Abhängigkeit vom Desiccant-Typ und dem Zieltaupunkt gewählt. Allgemeine Regel: Eine höhere Regenerationstemperatur verbessert die Entfeuchtungstiefe, erhöht jedoch den Energieverbrauch.
Die optimale Platzierung von Wärmetauschern zur Energierückgewinnung kann umfassen:
- Rotationswärmetauscher (hohe Effizienz, aber möglicher Feuchtetransfer)
- Plattenwärmetauscher (geringere Effizienz, dafür kein Feuchtetransfer)
- Wärmepumpe (zusätzlicher Aufwand, aber potenziell höhere Wirtschaftlichkeit)
Ein wichtiger Aspekt der Auslegung ist die Minimierung von Luftleckagen zwischen den Zonen durch dichte Trennwände und die Kontrolle des Differenzdrucks zwischen Prozess- und Regenerationsbereich.
Regelung und Wirtschaftlichkeitsbewertung
Die Regelung von Desiccant-Systemen kann über eine Basissteuerung (Ein/Aus), eine proportionale Regelung mit PID-Algorithmen oder eine prädiktive Regelung unter Nutzung eines Systemmodells erfolgen. Die Integration in ein BMS (Building Management System) ermöglicht die Koordination aller Komponenten und eine globale Optimierung.
Die wirtschaftliche Bewertung umfasst die Analyse von Investitions- und Betriebskosten. Die Investitionskosten für Desiccant-Systeme sind in der Regel höher als bei traditionellen Systemen, können jedoch teilweise durch eine kleinere Kältemaschine kompensiert werden. Die Betriebskosten hängen von der Struktur der Strom- und Wärmetarife ab.
Faktoren, die die wirtschaftliche Sinnhaftigkeit bestimmen:
- Verhältnis der Strom- zu Gastarife (kritische Schwelle projektabhängig)
- Klimazone (Vorteile in heiß-feuchtem Klima)
- Betriebsregime (langer Kühlzeitraum begünstigt eine schnellere Amortisation)
- Verfügbarkeit günstiger Wärmeenergie
Die Amortisationszeit ergibt sich als Verhältnis der zusätzlichen Investitionen zur Differenz der jährlichen Betriebskosten. Eine Reduktion der elektrischen Spitzenlast kann die Amortisationszeit in Tarifen mit Leistungsentgelt zusätzlich verkürzen.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Worin unterscheidet sich die Desiccant-Kühlung grundlegend von der traditionellen Klimatisierung und wann ist sie sinnvoll?
Die traditionelle Klimatisierung nutzt einen einzigen Prozess zur gleichzeitigen Senkung von Temperatur und Feuchte, indem die Luft unter den Taupunkt gekühlt und anschließend wieder erwärmt wird (Reheat). Das erfordert erhebliche Energiemengen, deren Höhe sich aus der Wärmebilanz ergibt und von den Luftparametern sowie der Entfeuchtungstiefe abhängt.
Die Desiccant-Kühlung trennt die Behandlung der latenten und fühlbaren Last, wodurch Temperatur und Feuchte unabhängig geregelt werden können. Sie ist unter drei Bedingungen sinnvoll: 1) hoher Anteil der latenten Last (über 40-50% der Gesamtlast); 2) Bedarf an niedriger Luftfeuchte (Taupunkt unter 7-10°C); 3) Verfügbarkeit kostengünstiger Wärme.
Zur Beurteilung der Eignung für ein konkretes Projekt wird ein Vergleich der Energieverbräuche und Kosten von traditionellem und Desiccant-System unter Berücksichtigung der lokalen Energietarife durchgeführt.
Wie funktioniert eine Absorptionskältemaschine und warum lässt sie sich effektiv mit einem Desiccant-System kombinieren?
Eine Absorptionskältemaschine arbeitet mit einem thermochemischen Kreisprozess, bei dem Wasser als Kältemittel und eine LiBr-Lösung als Absorbens eingesetzt werden. Im Verdampfer verdampft Wasser bei niedrigem Druck und entzieht dem zu kühlenden Medium Wärme. Im Absorber wird der Dampf von der konzentrierten LiBr-Lösung aufgenommen. Im Generator wird die Lösung zur Wiederherstellung der Konzentration erhitzt. Im Kondensator kondensiert der Dampf und gibt Wärme ab.
Die COP von Absorptionskältemaschinen (0,6-1,3) ist niedriger als bei elektrischen (3,0-6,0), jedoch nutzen sie günstige Wärmeenergie statt teurer elektrischer Energie. Die Synergie mit dem Desiccant besteht darin, dass: 1) beide Systeme Wärme verbrauchen und so die Last vom Stromnetz verlagern; 2) die Vortrocknung erlaubt, die Temperatur des Kaltwassers um 3-5°C anzuheben, wodurch sich die COP der Kältemaschine um 10-15% verbessert; 3) die Nutzung einer gemeinsamen Wärmequelle die Energieausnutzung maximiert.
Welche typischen Fehler treten bei der Planung von Desiccant-Kühlsystemen auf?
1. Unterschätzung der Restwärme — das Entfernen von Feuchte setzt Sorptionswärme frei (2500-3000 kJ/kg Wasser), die zusätzliche Kälteleistung erfordert. Lösung: die Gesamtlasteinschätzung unter Berücksichtigung der Sorptionswärme durchführen.
2. Falsche Wahl des Strömungsverhältnisses — das optimale Verhältnis von Prozess- zu Regenerationsstrom hängt von der Regenerationstemperatur, den Außenluftparametern und dem Zieltaupunkt ab. Lösung: Berechnungen auf Basis der Adsorptionsisothermen für die konkreten Bedingungen durchführen.
3. Ignorieren von Luftleckagen — selbst kleine Leckagen (3-5% des Luftstroms) können die Systemleistung deutlich verringern. Lösung: hochwertige Dichtungen, Dichtheitsprüfung, Aufrechterhaltung eines leichten Überdrucks im Prozessbereich.
4. Unzureichende Luftfiltration — Verunreinigungen reduzieren die Adsorptionskapazität des Desiccants; das Maß der Degradation hängt von Art und Konzentration der Verunreinigungen ab. Lösung: Filter geeigneter Klasse installieren (mindestens F7) und die Luftqualität periodisch prüfen.
5. Nichtberücksichtigung der saisonalen Änderung der Effizienz der Verdunstungskühlung — die Effizienz hängt von der Differenz zwischen Trocken- und Feuchtkugeltemperatur ab, die saisonal variiert. Lösung: eine Reservekühlung vorsehen oder ein Hybridschema mit Absorptionskältemaschine einsetzen.
Fazit
Die Desiccant-Kühlung in Kombination mit Absorptionskältemaschinen trennt die Behandlung der fühlbaren und latenten Last und nutzt überwiegend Wärme statt Strom. Unter bestimmten Bedingungen ermöglicht dies hohe Energieeffizienz und niedrigere Betriebskosten.
Praxisempfehlungen für Ingenieurinnen und Ingenieure:
- Integrationsschema entsprechend der Laststruktur wählen: seriell bei hoher latenter Last, parallel bei hohem Frischluftanteil, kogenerativ bei komplexen Energieanforderungen
- Abwärme oder erneuerbare Wärme maximal nutzen als zentralen Faktor der Wirtschaftlichkeit
- Sorptionsrestwärme bei der Auslegung der erforderlichen Kälteleistung berücksichtigen
Desiccant-Systeme sind optimal unter folgenden Bedingungen: latente Last über 40-50% der Gesamtlast, erforderlicher Taupunkt unter 7-10°C, verfügbare kostengünstige Wärmeenergie. Die Amortisationszeit wird durch das Verhältnis der Energietarife, das Betriebsregime und die Möglichkeit der Wärmenutzung bestimmt.
Gleichzeitig ist die Desiccant-Kühlung ineffizient bei geringer latenter Last, fehlendem Zugang zu Wärmeenergie, sehr trockenem Klima, für kleine Objekte sowie bei kurzer Kühlsaison. Die Integration mit Absorptionskältemaschinen ist nur dann gerechtfertigt, wenn gleichzeitig tiefe Entfeuchtung und Kühlung benötigt werden; andernfalls kann jede Technologie separat eingesetzt werden.
