Klimatisierung mit wässriger Salzlösung
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BINE Informationsdienst Klimatisierung mit wässriger Salzlösung Abb 1 Entfeuchtung von Luft mit konzentrierten Salzlösungen möglich Temperaturabsenkung der Luft um 12 Grad bei gleichzeitiger Entfeuchtung Niedertemperaturverfahren zur Nutzung solarer Wärme geeignet Direkte Nutzung von Solarenergie als auch verlustfreie Speicherung möglich Laboranlage mit Absorber und Zentraleinheit I n vielen Bürogebäuden übersteigt der Primärenergiebedarf für teilt sich allerdings nicht übers Jahr sondern fällt geballt an den Som- die Klimatisierung bereits den für die Heizung. Der Grund sind mertagen an. Mit den bisher am Markt angebotenen Verfahren u. a. elektrisch betriebene Kompressionskältemaschinen, die könnte die Einbindung solarer Wärme bis zur Hälfte der jeweils zur nach wie vor den Markt beherrschen. Eine energieeffiziente Alterna- Klimatisierung aufgewendeten Strommenge einsparen. Im Jahr 2002 tive stellen wärmegetriebene Verfahren zur Klimatisierung dar, sofern waren jedoch in der ganzen Bundesrepublik weniger als zwei Dutzend Wärmequellen wie die Abwärme von Blockheizkraftwerken, Über- Anlagen installiert, die thermische Solarenergie zur Klimatisierung schusswärme aus Fernwärmenetzen oder aber die Sonnenergie genutzt von Gebäuden nutzen. Diese Anlagen basieren entweder auf geschlos- werden. senen Systemen mit Adsorptionskältemaschinen zur Kaltwasserer- Eine besonders viel versprechende Methode ist die sorptionsgestützte zeugung oder auf Verfahren zur sorptionsgestützten Klimatisierung Klimatisierung mit wässrigen Salzlösungen. Sie kann möglicherweise mit festen Sorbentien. der Solartechnik den Weg zur Anwendung in der Klimatisierung von Mit Unterstützung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Tech- Bürogebäuden ebnen. Bei diesem Verfahren entzieht konzentrierte nologie (BMWi) wurde von der Firma MENERGA in Zusammen- Salzlösung der Außenluft Feuchtigkeit. Die erforderliche Tempera- arbeit mit der Universität Gesamthochschule Essen ein Klimasystem turabsenkung wird durch Verdunstungskühlung erreicht. Die Luft- entwickelt und gebaut, dessen innovatives Verfahren auf der Ver- behandlungsfunktionen Kühlung und Entfeuchtung sind also bei wendung von Salzlösungen zur Entfeuchtung der Luft basiert. In diesem Verfahren getrennt. Kombination mit einer handelsüblichen Anlage zur indirekten Ver- Hochrechnungen kommen zu dem Ergebnis, dass in Deutschland bis dunstungskühlung wurde untersucht, ob ein derartiges System die zu 3,5 Milliarden Kilowattstunden Strom im Jahr für die Klimatisie- von der Klimatechnik geforderten Leistungsdaten etwa für die Kli- rung von Bürogebäuden aufgewendet werden. Dieser Verbrauch ver- matisierung von Büroräumen erfüllen kann. Luftfeuchtigkeit und Temperatur Es gibt eine Norm für das Wohlbefinden von Menschen. Nach DIN 1946 Teil 2 befindet sich das sogenannte „Behaglichkeitsfeld“ zwischen 20° und 24°C und zwischen 30 und 60 Prozent relativer Luftfeuchte. Für Klimaanlagen gilt es, diese Zielwerte zu erreichen. Sobald warme Luft abgekühlt wird, steigt ihre relative Feuchte, da kalte Luft vergleichsweise weniger Wasserdampf aufnehmen kann. Für die Klimatisierung eines Gebäudes im Sommer bedeutet dies: Es reicht nicht, die warme Außenluft abzukühlen, sie muss auch entfeuchtet werden. Oder anders: Um die relative Feuchte von 32°C warmer Außenluft bei einer Temperaturabsenkung um 10 Grad auf 22 °C konstant bei Berlin Bremerhaven Essen Braunschweig Bezugspunkt t =20,0°C AU x =9,0 g /kg AU W tr L Gießen Trier Frankfurt Sensibel Latent Entfeuchtung Kühlung Nürnberg Mannheim Regensburg Stuttgart München Verfahren mit flüssigen Sorptionsmitteln vermeiden diese Nachteile, sie sind aber noch nicht marktreif. Eine derartige Anlage mit konzentrierter Salzlösung als Sorbens wurde von der Firma MENERGA Apparatebau, Mülheim, in Zusammenarbeit mit der Universität Essen entwickelt und dort messtechnisch untersucht. Das Verfahrenschema Warme feuchtebeladene Außenluft wird zunem Wärmeübertrager an Umlaufwasser ab, nächst in der Absorptionseinheit an mit kondas ebenfalls in der Zentraleinheit wieder gezentrierter Salzlösung benetzten Füllkörpern kühlt wird und den Wasserkreislauf schließt. Ein vorbeigeführt und gibt dort Wasser an die Sole Teilstrom der wieder abgekühlten verdünnten ab. Die entfeuchtete Luft wird anschließend in Sole wird in einem Regenerator mit solarer der Zentraleinheit abgekühlt und gelangt als Wärme wieder entwässert, der Solekreislauf Zuluft in das zu klimatisierende Gebäude. über einen Pufferspeicher geschlossen. Die angesaugte AbAbb 3 Luftentfeuchtung mit konzentrierter Salzlösung luft wird im Wärmeübertrager mit WasAbluft ser besprüht. Das Konzenverdunstende Wastrierte Salzlösung ser senkt die Temperatur der Abluft so weit, dass sie Wärme der entfeuchtefeuchtVerSchüttung trockene trockene, ten Zuluft aufnehwarme dunstungsmit Füllwarme kühle men kann und anAußenluft kühlung körpern Außenluft Zuluft schließend als Fortluft abgegeben wird. Die verdünnte Salzlösung gibt zunächst Verdünnte die bei der WasserSalzlösung Fortluft aufnahme freigesetzte Wärme in ei- Die Versuchsanlage Neben der für eine Laboranlage typischen Mess- und Regeltechnik sowie den Einrichtungen zur Erzeugung von Außen- und Abluft nach definierten Versuchsvorgaben besteht die Anlage aus zwei Hauptkomponenten: Als Zentraleinheit wurde ein handelsübliches Klimagerät mit einem Luftvolumen- 2 Hamburg Sorptionsgestützte Klimatisierung Die sorptionsgestützte Klimatisierung ist ein Verfahren, bei dem Entfeuchtung und Kühlung getrennt werden. Bislang sind überwiegend Anlagen mit rotierenden Sorptionsrädern und festen Sorbentien im Einsatz. Die angesaugte Außenluft durchströmt in der Regel ein Trocknungsrad, die getrocknete Luft wird anschließend durch Verdunstungsbefeuchtung abgekühlt und wieder gezielt befeuchtet. Die Regeneration der Sorbentien im Rad erfolgt nach halber Drehung des Sorptionsrotors im Abluftstrom, der durch eine externe Wärmequelle zusätzlich erwärmt wird. Bei diesem Verfahrensschema ist zu beachten: Das Sorptionsrad koppelt Entfeuchtung und Regeneration unmittelbar aneinander. Wenn entfeuchtete Luft zur Klimatisierung benötigt wird, muss auch gleichzeitig regeneriert werden, eine Pufferung oder Speicherung ist nicht möglich. Ein weiterer prinzipbedingter Nachteil ist die mögliche Übertragung von Gerüchen aus der Fortluft in die Zuluft. Verunreinigungen können sich an den großen Oberflächen der Sorbentien anlagern und sind nach einer halben Drehung wieder im Zuluftstrom, wo sie desorbiert und ins Gebäude zurücktransportiert werden können. 50 Prozent zu halten, müssen jedem Kilogramm Luft-Trockenmasse in der Klimaanlage etwa 6,5 Gramm Wasser entzogen werden. Andernfalls entspräche ihr Wasserdampfgehalt einer relativen Luftfeuchte von tropischen 90 Prozent. Der Energieaufwand einer Klimaanlage für die Entfeuchtung der Luft im Sommer ist in Deutschland meist höher, als der Energiebedarf zur Kühlung (Abb 2). Es lohnt sich also, nach alternativen Verfahren zur Entfeuchtung der Außenluft zu suchen. Unter energetischen Gesichtspunkten ist es besonders wichtig, die Verfahrensschritte „Kühlen“ und „Entfeuchten“ der Außenluft zu trennen. Abb 2 Anteile für Entfeuchtung und Kühlung am Energiebedarf der Klimatisierung BINE projektinfo 08/02 strom von 1.200 Kubikmeter pro Stunde gewählt. Neben den Ventilatoren für Zuund Abluft umfasst es den Wärmerückgewinner mit der Verdunstungskühlereinheit zur Abkühlung der zuvor entfeuchteten Außenluft sowie zur Rückkühlung des Umlaufwassers der Absorptionseinheit. Die Anlage arbeitet nach dem Prinzip der indirekten Verdunstungskühlung in einer kompakten und dadurch besonders leistungsfähigen Ausführung. Dabei wird die warme, trockene Abluft aus dem Gebäude im Wärmerückgewinner befeuchtet. Das verdunstende Wasser führt zur Temperaturabsenkung der Abluft, die dadurch unmittelbar Wärme aus der entfeuchteten In der neu entwickelten AbsorpVerdunstungskühlung Salzlösungstionseinheit werden Regenerator und Wärmerückgewinnung -kühler, -erhitzer die hygroskopische Sole und die AusAB FO senluft zur Entfeuchtung im sogenannten KreuzW_ein strom zueinander AU ZU geführt. Die konzentrierte LithiumW_aus chlorid-Salzlösung Wasserpumpe Lösungspumpe Absorber rieselt von oben über eine lose Außenluft aufnehmen kann und diese somit Schüttung mit Füllkörpern, die gleichzeitig ihrerseits abkühlt. Die entfeuchtete und abwaagerecht von der feuchtebelasteten gekühlte Außenluft verlässt anschließend Außenluft durchströmt wird. Die benetzten als Zuluft die Klimaanlage. Zusätzlich ist es Füllkörper bieten der feuchten Luft eine möglich, in der Zentraleinheit die Wärme große Oberfläche, an der die hygroskopiaus dem Luftentfeuchtungsprozess abzusche Sole der Luft ihre Feuchtigkeit entzieführen. hen kann. Den Absorber verlässt somit geAbb 4 trocknete Außenluft an der dem Einlass gegenüberliegenden Seite und mit Wasser verdünnte Salzlösung am unteren Auslass. Die Entfeuchtung ist thermodynamisch das Gegenstück zur Verdunstung, es wird also prozessbedingt Wärme frei, die Temperatur der Sole steigt an. Sie durchströmt anschließend einen Sole/Wasser-Wärmeübertrager und wird auf diese Weise abgekühlt. Das im Gegenzug erwärmte Umlaufwasser wird seinerseits ebenfalls in der Zentraleinheit zurückgekühlt. Das Labormuster verfügt über eine transparente Apparatewand auf der Bedienseite, um das Ablaufverhalten der verschiedenen eingesetzten Flüssigkeiten und - mit Rauch versetzt - das Durchströmverhalten der Luft zu beobachten (vgl. Abb. 1, Titelseite) sowie über eine Vielzahl von Mess- und Regeleinrichtungen zur Variation der Untersuchungen. Schematischer Aufbau eines sorbtionsgestützen Klimasystems mit flüssigen Sorbentien Die Regeneration der Sole Die mit Wasser verdünnte Sole muss regeneriert werden, dazu wird das in der Salzlösung gebundene Wasser unter Zufuhr von Wärme wieder ausgetrieben. Dies ist der energieaufwändigste Schritt des gesamten Entfeuchtungsverfahrens. Hier Wärmeverluste zu vermeiden und Wärme möglichst zurückzugewinnen entscheidet über die Wirtschaftlichkeit einer sorptionsgestützten Anlage. Die regenerierte und über den Konzentrationsgrad der im Absorberumlauf befindlichen Salzlösung hinaus konzentrierte Sole kann dagegen verlustfrei in Speicherbehältern gelagert werden. Bei ausreichend großer Dimensionierung kann der Speicher als Puffer fungieren. Absorption und Regeneration müssen dann nicht zeitgleich stattfinden. Es wird dadurch möglich, den Regenerator entsprechend kleiner zu dimensionieren und nur einen Teilmassenstrom aus dem Absorberkreislauf zu regenerieren. Bei der Versuchsanlage wurde der Regenerator noch mit Heißwasser aus einem mit Abb 5 Solare Regenerationsverfahren für flüssige Sorbentien Regeneration mit warmer Luft ✹ Außenluft Direkte Regeneration Regeneration mit warmen Wasser ✹ Fortluft Fortluft ✹ Fortluft Außenluft Verdünnte Sole Verdünnte Sole Verdünnte Sole Konzentr. Sole Konzentr. Sole Konzentr. Sole Außenluft Regenerator Solarer Regenerator einem Heizregister versehenen Heißwasserspeicher versorgt. In der Praxis kann sehr gut solare Wärme genutzt werden. Die Regeneration der Salzlösung funktioniert be- reits mit Temperaturen ab etwa 60°C. Daher ist es möglich, bewährte und kostengünstige Standard-Solartechnik zu verwenden (Abb 5). telförmigen Keramik-Füllkörper bei sonst gleichen Betriebsbedingungen die Entfeuchtungsleistung signifikant steigern. Der Unterschied ist bei kleiner Berieselungsbreite und damit simulierter kleiner Geräteabmessung besonders groß. Die Steigerung der Entfeuchtungsleistung wird allerdings mit einer erheblichen Steigerung des Druckverlustes gegenüber dem untersuchten Kunststoff-Ringfüllkörper erkauft. Zusammenfassend: Nicht nur die Gerätegröße, auch der Füllkörpertyp muss auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden. Formsache: Ring oder Sattel? Die Füllkörperschüttung im Absorber hat die Aufgabe, eine möglichst große Stoffaustauschfläche für die Feuchtigkeitsübertragung bereit zu stellen. Gemeinsame Anforderung an alle Füllkörper ist die Beständigkeit gegen Korrosion durch die aggressive Salzlösung. Ansonsten beeinflusst die Art der Füllung unmittelbar Betriebsweise und Regelung des gesamten Kühlungs- und Entfeuchtungssystems. Die Füllkörper werden von der Salzlösung unterschiedlich benetzt, von Sole und Luft unterschiedlich schnell durchströmt, mit unterschiedlichen Ergebnissen. Während der messtechnischen Untersuchungen wurden zwei verschiedene Füllkörpertypen untersucht, ein sogenannter Pall-Ring aus Kunststoff und ein sogenannter Novalox-Sattel aus Steinzeug (Abb 6). Es zeigte sich, dass die sat- Abb 6 Die eingesetzten Füllkörper: 15 mm Pall-Ring aus Polypropylen und 1/2“ NovaloxSattel aus Steinzeug. 1 cm 1 cm BINE projektinfo 08/02 3 Ergebnisse PROJEKTORGANISATION Mit der vorgestellten Anlagenkombination konnten bei simulierten sommerlichen Außentemperaturen die von der Klimatechnik geforderten Kühl- und Entfeuchtungsleistungen erbracht werden. Ausgehend von einer typischen Außentemperatur von 32°C und einer Luftfeuchte von 12 Gramm Wasser pro Kilogramm Luft-Trockenmasse, entsprechend einer relativen Luftfeuchte von 40 Prozent, können je nach Entfeuchtung Zulufttemperaturen zwischen 17,7°C und 21°C erreicht werden. Es ist also möglich, die Klimaanlage auf einen behaglichen Zuluftzustand von 20°C bei einem Wassergehalt von 7,7 Gramm pro Kilo einzustellen. Die relative Feuchte der Zuluft liegt dann bei etwa 50 Prozent. Der neuartige Absorber erreicht eine Entfeuchtungsleistung von über 8 Gramm Wasser pro Kilogramm Trockenluft und übertrifft damit die an ihn gestellten Anforderungen. Während der Messungen zeigte sich darüber hinaus, dass nach Veränderung von Feuchtigkeit und Temperatur der angesaugten simulierten Außenluft sehr schnell wieder ein konstanter Zustand der Zuluft der Klimaanlage erreicht wurde. Das System ist also gut zu regeln, was wiederum seinen Einsatz in der Praxis erleichtert. Fazit und Perspektiven PROJEKTADRESSE • MENERGA Apparatebau GmbH Dr.-Ing. Jürgen Röben Gutenbergstraße 51 47473 Mülheim an der Ruhr ▼ ▼ Die Untersuchungen zeigen, dass ein System mit sorptiver Luftentfeuchtung durch wässrige Salzlösung technisch realisierbar ist. In Kombination mit einer Einheit zur indirekten Verdunstungskühlung werden zwar keine beliebigen Temperatursprünge zwischen Außen- und Innenluft möglich. Aber die entwickelte Klimaanlage erreicht die in der Klimatechnik geforderten Kühl- und Entfeuchtungsleistungen für sommerliche Außenluft. Das Verfahren bietet wichtige Vorteile gegenüber bisher entwickelten Varianten. Technisch und energetisch interessant ist die Möglichkeit, solare Energie in Form konzentrierter Salzlösung zu speichern und somit etwa Belastungsspitzen oder ungünstige Wettersituationen abzupuffern – z. B. die typische Gewitterlage mit sehr warmer feuchter Luft bei bedecktem Himmel. Für die Akzeptanz der Technik ist es wichtig, dass die Verschleppung von Gerüchen bei dem Verfahren auf Basis wässriger Salzlösungen nicht vorkommen kann. Der Hauptvorteil liegt in einem verringerten Energiebedarf gegenüber Systemen mit Kompressionskältemaschinen. Die weiteren Entwicklungsperspektiven sind günstig: Die Einbindung von Niedertemperaturwärme öffnet die Tür zur Nutzung der thermischen Solarenergie. Dabei kann auf preiswerte marktübliche Komponenten zurückgegriffen werden. Umgekehrt eröffnet die solare Klimatisierung auch der Solarthermie interessante neue Perspektiven der Wirtschaftlichkeit. Liegen bei der solarthermischen Heizung die Hauptzeiten der Energieernte – im Sommer – und des Energiebedarfs – im Winter – zeitlich weit auseinander, so treffen sie bei der Klimatisierung in der Regel unmittelbar aufeinander. Eine weitere Perspektive für den energiegünstigen Betrieb der sorptionsgestützten Klimatisierung ist die Einbindung der Abwärme etwa von Blockheizkraftwerken oder Brennstoffzellen. Hier kann besonders interessant sein, Energie zur Klimatisierung in Form von konzentrierter Salzlösung zeitlich unbegrenzt und verlustfrei zu speichern. Die Internationale Energie-Agentur IEA startete in ihrem »Solar Heating & Cooling Programme« eine neue Task 25: »Solar Assisted Air Conditioning of Buildings«, um die solar unterstützte Gebäudeklimatisierung im internationalen Maßstab stärker an den Markt heranzuführen. BINE projektinfo 08/02 ■ Förderkennzeichen 032 9151 N IMPRESSUM ■ ISSN 0937 – 8367 ■ Herausgeber Fachinformationszentrum Karlsruhe, Gesellschaft für wissenschaftlich-technische Information mbH 76344 Eggenstein-Leopoldshafen ■ Nachdruck Nachdruck des Textes nur zulässig bei vollständiger Quellenangabe und gegen Zusendung eines Belegexemplares; Nachdruck der Abbildungen nur mit Zustimmung der jeweils Berechtigten. ■ Autoren Jürgen Maaß, Dr. Franz Meyer BINE – INFORMATIONEN UND IDEEN ZU ENERGIE & UMWELT BINE ist ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderter Informationsdienst. BINE informiert über neue Energietechniken und deren Anwendung in Wohnungsbau, Industrie, Gewerbe und Kommunen. BINE bietet Ihnen folgende kostenfreie Informationsreihen ■ Projekt-Infos ■ Themen-Infos ■ basisEnergie Nehmen Sie mit uns Kontakt auf, wenn Sie vertiefende Informationen, spezielle Auskünfte, Adressen etc. benötigen, oder wenn Sie allgemeine Informationen über neue Energietechniken wünschen ERGÄNZENDE INFORMATIONEN Literatur • Biel, S.; Röben J.: Entwicklung, Bau und messtechnische Untersuchung eines sorptionsgestützten Klimagerätes unter Einsatz wässriger Salzlösungen. Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben 032 9151 N. Hrsg.: MENERGA Apparatebau GmbH. Mülheim an der Ruhr, März 2002 Service • Ergänzende Informationen wie Literatur, Adressen, Ansprechpartner und InternetLinks sind unter www.bine.info, „Service/ InfoPlus“ abrufbar. 4 ■ Förderung Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) 11019 Berlin Projektträger Jülich (PTJ) des BMWi Forschungszentrum Jülich GmbH Dr. Claus Börner 52425 Jülich BINE Informationsdienst Fachinformationszentrum Karlsruhe Büro Bonn Mechenstr. 57 53129 Bonn Fon: Fax: 0228 / 9 23 79-0 0228 / 9 23 79-29 eMail: [email protected] Internet: www.bine.info DESIGN WORKS, Bonn
