Bei der adiabaten Kühlung wird die Verdunstungskälte von Wasser genutzt, um eine Temperaturabsenkung zu erreichen. Da neben dem Wasser als Kältemittel prinzipiell nur elektrische Energie für den Ventilator benötigt wird, stellt diese Technologie eine energieeffiziente und nachhaltige Lösung dar; Kompressoren oder synthetisches Kältemittel sind nicht notwendig. In der Praxis findet diese Technik häufig Anwendung in raumlufttechnischen Geräten. Im Allgemeinen wird hier der Abluftvolumenstrom vor Eintritt in die Wärmerückgewinnung möglichst stark mit Wasser befeuchtet. Die Lufttemperatur sinkt und der Feuchtegehalt steigt an. Die hierbei durch Einbringung des Wassers frei werdende Verdunstungskälte wird nun dazu verwendet, um die angesaugte Außenluft im Bereich der Wärmerückgewinnung zu kühlen. Durch die Trennung der Luftströme kühlt sich der Außenluftvolumenstrom ab ohne zusätzliche Feuchtigkeit aufzunehmen. Daher wird dieser Prozess auch als indirekte Verdunstungskühlung bezeichnet.
Die Effektivität der Verdunstungskühlung ist stark abhängig von den lokalen Luftbedingungen. Generell gilt: Je wärmer und trockener die Luft ist, umso mehr Wasser kann diese aufnehmen. Mit zunehmender Feuchtigkeit sinkt die Effektivität des Prozesses. In der Praxis sind unter optimalen Bedingungen bis zu 9 K Temperaturdifferenz realisierbar.
Kernelement der Standalone-Geräte ist ein hocheffizienter Wärmeübertrager, welcher den oben beschriebenen Prozess der indirekten adiabaten Kühlung inkludiert.
Bei Kühlbedarf saugt der EC-Ventilator des Gerätes warme Außenluft (ca. 7000 m³/h) an. Diese wird vor Eintritt in die trockenen Kanäle des Wärmeübertragers durch die integrierten Filter von Luftverunreinigungen und sonstigen Verschmutzungen gereinigt. Bei Austritt aus dem Wärmeübertrager wird die Luft in zwei Ströme aufgeteilt. Es werden etwa 4000 m³/h als Zuluft dem Objekt zugeführt und der Rest als Prozessluft (ca. 3000 m³/h) durch die feuchten Kanäle zurückgedrückt. Die feuchten Kanäle des Wärmeübertragers haben eine spezielle hydrophile Beschichtung und werden zyklisch bewässert. Durch die Wasserverdunstung sinkt die Temperatur der Prozessluft und kühlt die Wärmetauscheroberfläche ab. Anschließend wird diese als warme, feuchte Luft ins Freie ausgestoßen. Die durch die trockenen Kanäle strömende Außenluft wird nun indirekt – also ebenfalls ohne zusätzlichen Feuchteeintrag – gekühlt und dem Objekt zugeführt. Damit liegen die Zulufttemperaturen unterhalb der Feuchtkugeltemperatur.
Die Feuchtkugeltemperatur der Luft ist die niedrigste Temperatur, welche durch die Verdunstung von Wasser bei einem definierten Luftzustand erreicht werden kann. Beispiel: An einem Sommertag mit 32 °C, 40 % liegt die Feuchtkugeltemperatur bei etwa 21,5 °C. Selbst bei 100 % Sättigung der Luft mit Wasser kann keine geringere Temperatur durch Verdunstung erreicht werden. Die Kompaktgeräte erreichen bei diesen Bedingungen allerdings eine Zulufttemperatur von 20,7 °C, also fast 1 K geringer; und das bei konstantem Feuchtegehalt. Diese „Unterschreitung“ der Feuchtkugeltemperatur der Außenluft ist auf die Funktionsweise des Luft-Luft-Wärmeübertragers durch Nutzung der Prozessluft zurückzuführen.
Generell gilt, dass die Effektivität der Verdunstungskühlung mit steigender Lufttemperatur zunimmt, was in einem direkten Kontrast zu herkömmlichen Kühlsystemen steht. Die gleichbleibende Leistungsaufnahme von maximal 1,8 kW bei Volllastbetrieb dämpfen somit auch in Hitzeperioden entstehende Stromspitzen ab. (Bsp. 38 °C, 20 %, Zulufttemperatur 19,4 °C).
Das für den Betrieb des Gerätes notwendige Wasser wird kontinuierlich von dem integrierten Wassermanagementsystem hinsichtlich Qualität und Güte überwacht. Ebenfalls übernimmt dieses System auch die automatische, zyklische Bewässerung des Wärmeübertragers. Die Verwendung von Regenwasser bietet neben der Nutzung von Trinkwasser eine noch nachhaltigere Lösung.
Im Zuge der aktuellen Energiepolitik und Dekarbonisierung bieten die Kompaktgeräte großes Potential zur Energieeinsparung bei geringen Investitions- und Betriebskosten. Aktuell finden die Geräte meist Anwendung im Bereich der Nichtwohngebäude zur Sicherstellung eines behaglichen Klimas.
Einsatzmöglichkeiten
Nachfolgend werden zwei unterschiedliche Nutzungsszenarien dargestellt, bei welchen ein sommerlicher Außenluftzustand von 32 °C und 40 % zugrunde gelegt wird.
Einzelgeräte
In diesem Beispiel wird die Kühllast mit einem oder mehreren Geräten gedeckt. In Objekten mit sehr hohen internen Wärmelasten (z.B. Großwäschereien, Gießereien), in welchen keine ganzheitliche Kühlung wirtschaftlich sinnvoll oder notwendig ist, besteht die Möglichkeit der punktuellen Kühlung. Dabei wird der definierte Arbeitsbereich mit einem entsprechend hohen Luftwechsel beaufschlagt, um die Zieltemperaturen sicherzustellen. Somit muss nicht zwingend die gesamte Kühllast gedeckt werden. Bei diesem Luftzustand erreichen die Geräte 20,7 °C bei 4000 m³/h, was einer Kühlleistung von rund 15 kW entspricht (Leistungszahl EER 8,3).
Vorkühlunganwendungen
Die Nachrüstung eines Kompaktgerätes zur Vorkühlung der angesaugten Außenluft bestehender RLT-Anlagen ermöglicht eine Kapazitätssteigerung, ohne komplexe bauliche Änderungen vornehmen zu müssen. Hierbei wird die gekühlte Zuluft des Verdunstungskühlers in die Außenluftansaugung des Bestandsgerätes eingebracht. Im Kühlbetrieb wird per Bypass die Wärmerückgewinnung des RLT-Gerätes umgangen – analog zu der „freien Kühlung“ während sommerlichen Nächten. Somit müssen ebenfalls keine Änderungen an der bestehenden Luftverteilung vorgenommen werden.
Sollten bereits Kühlsysteme in der RLT-Anlage integriert sein, zeigen sich positive Auswirkungen durch Entlastung der Kompressoren und damit verbundener Senkung der Betriebskosten bei gesteigerter der Lebensdauer von Komponenten. Alternativ ist natürlich auch die Deckung höhere Kühllasten durch die zusätzlichen Kapazitäten möglich.
Beispiel zur Effizienzsteigerung eines RLT-Gerätes mit integriertem dx-Register
Die fiktive RLT-Anlage verfügt über einen Außenluftvolumenstrom von 5000 m³/h. Die Soll-Zulufttemperatur beträgt 20 °C. Das integrierte Kühlregister hat eine Leistungszahl EER von 3,4. Somit beträgt die elektr. Leistungsaufnahme bei einer sommerlichen Auslegungstemperatur von 32 °C rund 5,9 kW (20 kW / 3,4).
Um die Effizienz des Systems zu verbessern, wird ein indirekter Verdunstungskühler eingeplant. Dieser bringt vorgekühlte Außenluft (4000 m³/h, 20,7 °C) in die Ansaugung des Bestandsgerätes. Der restliche Volumenstrom von 1000 m³/h (5000 m³/h-4000 m³/h) und 32 °C vermengt sich damit. Dies ergibt eine Mischlufttemperatur von etwa 22,9 °C für den angesaugten Mischluftvolumenstrom. Die geringere Temperaturdifferenz (2,9 K statt vormals 12 K) zur Soll-Zulufttemperatur führt zu einer erheblichen Entlastung des verbauten Kühlregisters. Statt ehemals 20 kW Kühlleistung müssen nun nur noch 4,8 kW aufgebracht werden. Dies führt zu einer Reduzierung der elektrischen Leistungsaufnahme auf etwa 1,4 kW (4,8 kW / 3,4 EER) statt 5,9 kW.
Die Effizienz des gesamten Kühlsystems steigt durch die Vorkühlung mittels indirekter Verdunstungskühlung um 84 % (EER 6,25) gegenüber der Bestandssituation (EER 3,4). Die indirekte Verdunstungskühlung mittels Kompaktgeräten stellt demnach eine Möglichkeit zur ökologischen Kühlung oder Verbesserung der Gesamteffizienz bestehender Kühlsysteme dar.
